[发明专利]测力装置

说明书

本发明涉及一种测力装置，该测力装置包括沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大，这是通过估算由于位于闭合轮廓负载感测元件上的相反象限上的一对悬臂的角运动而刻画的圆弧上的两个点之间的准线性增量位移来实现的，以提高测力装置的灵敏度且由此提高其分辨率。

技术领域

本发明涉及一种测力装置，该测力装置通常用在材料和结构测试系统中，用于精确地测量静态和动态负载。

背景技术

典型的测力装置(也称为测压单元)由负载感测元件组成，该负载感测元件与所施加负载成比例地弹性变形。这进而改变结合于负载感测元件的诸如应变计之类的敏感元件的电气性能。电气性能的此种变化可能与所施加的负载相关联。工业应用中的力传感器通常使用此种原理。

测力装置的灵敏度被定义为为能够以物理参数形式测得的变化与实际施加的力中最小变化的比值。灵敏度越高，测力装置的分辨率就越好。测力装置的灵敏度通过弹性变形的机械放大或者类似于电压或电流的电气性能的电气放大得以改进。

测力装置通常具有两种类型：(a)基于测力环，以及(b)基于应变计。在基于测力环的测压单元中，沿着环形力感测元件的施力轴线直接地测量线性弹性变形(不具有任何机械放大)，以指示所施加的力。测力装置的灵敏度受到用于测量弹性变形的位移传感器的灵敏度限制，该位移传感器通常是线性可变差分变压器(LVDT)。在基于应变计的测力装置中，一组经校准的箔阻应变计以特定的图案安装在挠性臂上，以拾取压缩或拉伸应变。这些应变计设置成形成称为全惠斯顿桥的电路，该电路的输出电压与施加于负载感测元件的力相关联。在这些现有技术的测压单元中，既不放大弹性变形也不放大电气性能，而是经由附加的电子信号调节板将通常为mV(毫伏)量级的输出电气信号放大为V(伏特)量级。然而，电气信号的放大导致高的信噪比。这些测压单元的更佳报告分辨率在满刻度的0.02-0.05％的量级上。电气信号的此种放大包含使用模拟电子装置，例如模数转换器、信号调节硬件等等。

发明内容

本发明公开一种测力装置，该测力装置包括机械地放大沿着施力轴线的线性弹性变形的机械放大，这是通过估算由于位于闭合轮廓负载感测元件上的相对象限上的一对悬臂的角运动而刻画的圆弧上的两个点之间的准线性增量位移来实现的，以提高测力装置的灵敏度且由此提高其分辨率。

根据本发明第一方面的测力装置包括闭合轮廓负载感测元件，该闭合轮廓负载感测元件沿着施力轴线(y-轴线)和与之垂直的轴线(x-轴线)是轴对称的。该装置包括第一悬臂和第二悬臂，该第一悬臂在其中一个象限中安装在轮廓上，且该第二悬臂在轮廓的相反象限中安装在轮廓上，其中，第一悬臂和第二悬臂的自由端部向轮廓内部定位，以使得这些臂在固定端部处垂直于轮廓上的圆弧。由所施加负载引起的变形导致两个臂均能绕它们的固定点无穷地旋转，这导致悬臂的自由端部进行准线性运动，以实现沿着施力轴线的变形的机械放大。

在本发明的另一方面中，第一悬臂和第二悬臂分别相对于x-轴线定位在角度α和α+180，以使得对于任何所施加的负载而言这些臂绕它们的固定端部的角运动最大。

在本发明的另一方面中，在第一悬臂的自由端部处安装有线性数字编码器，且在第二悬臂的自由端部处安装有编码器刻度，以使得线性数字编码器和编码器刻度彼此平行和相对，并且沿着臂的自由端部的运动定位。

在优选的方面中，在压缩负载下，第一悬臂和第二悬臂绕它们的固定端部逆时针转动角度-β/2，而在拉伸负载下，悬臂绕它们的固定端部顺时针转动角度β/2。

在另一方面中，第一悬臂和第二悬臂具有一定长度，以使得通过第一和第二悬臂的自由端部的假想线也通过轮廓的中心。

在另一方面中，在所施加的负载和对应变形下，自由端部在假想圆弧上进行准线性运动，这些准线性角运动导致假想线形成，而假想线形成使得变形能够机械地放大四倍。