СТЕРЖНЕВОЙ ДАТЧИК СИЛЫ С УПРОЩЕННОЙ НАСТРОЙКОЙ
BAR FORCE METER WITH SIMPLIFIED CONFIGURATION

Данное изобретение относится к стержневому датчику силы, который обеспечивает возможность более легкой настройки, чем известные стержневые датчики силы.
Известны стержневые датчики силы, в которых с помощью установленных на стержневом измерительном теле, соответственно теле деформации, датчиков удлинения измеряется продольное удлинение и поперечное удлинение тела деформации. Из создаваемых датчиком удлинения электрических сигналов можно затем определять подлежащую измерению силу. Когда они предусмотрены для создания весов, то такие датчики силы называются также ячейками взвешивания.
В стержневом датчике силы указанного вида требуется сложная настройка, которая называется также ротационной настройкой. За счет этого должны компенсироваться обусловленные изготовлением допуски тела деформации или датчиков удлинения и обеспечиваться меньшая чувствительность датчиков силы относительно влияний боковых или поперечных сил и тем самым к изменениям во вводе сил.
Ротационная настройка осуществляется следующим образом. Один конец стержневого датчика силы зажимается в удерживающем приспособлении. На своем другом конце датчик силы нагружается с помощью нагрузочного приспособления. Этот процесс повторяется еще три раза после соответствующего поворота удерживающего приспособления вместе с зажатым датчиком силы на 90°. Из измерительных значений датчика силы в различных положениях поворота затем определяется, необходима ли настройка. Если она необходима, то датчик снова несколько раз поворачивается и осуществляется механическая настройка посредством снятия материала и/или электрическая настройка. В качестве альтернативного решения, настройку можно также осуществлять посредством поворота не датчика силы, а поворота нагрузочного приспособления. В этом случае для механической настройки необходимо несколько приспособлений для снятия материала или поворотное приспособление для снятия материала.
Для ротационной настройки требуются всегда несколько поворотов и несколько нагрузок. Поэтому выполнение ротационной настройки является трудоемким.
В ЕР 0 800 064 В1 поясняется стержневой датчик силы указанного выше вида и упоминается выполняемая для него ротационная настройка. В DE 44 16 442 А1 приведено более подробное описание ротационной настройки.
Даже после такой ротационной настройки существует опасность искажения результата измерения за счет следующего эффекта. Когда через поверхности ввода сил на торцевых концах тела деформации вводится сила не полностью коаксиально продольной оси выполненного в виде стержня тела деформации, и/или действуют дополнительные поперечные силы, то тело деформации деформируется в направлении поперек продольной оси не равномерно, а односторонне. Другими словами, тело деформации наклоняется в одну сторону и деформируется не коаксиально своей продольной оси, за счет чего силовые линии больше не проходят желаемым образом. Это приводит к искажению результатов измерения.
Наряду с ротационной настройкой, выполняется также, например, температурная настройка, так что в известных стержневых датчиках силы указанного выше вида необходимо выполнять несколько мер настройки.
Из GB 2 162 322 А известен также стержневой датчик силы с цилиндрическим осадочным телом, на торцевые поверхности которого воздействует подлежащая измерению сила. Оно имеет два ориентированных в направлении силы и лежащих противоположно друг другу продольных отверстия, поверхности основания которых образуют перемычку, на которую нанесены расположенные вдоль и поперек направлению силы полоски для измерения удлинения. Перемычка имеет в направлении силы перед и позади полосок для измерения удлинения сквозное отверстие. За счет двух отверстий, при воздействии силы силовые линии проходят по бокам рядом с обоими отверстиями. За счет этого также распределение силовых линий в середине осадочного тела, где находятся измеряющие удлинение полоски, становится все более не гомогенным. Через лежащую между измеряющими удлинение полосками зону перемычки проходит тем меньше силовых линий, чем больше диаметр двух отверстий и чем меньше расстояние от измеряющих удлинение полосок. Чувствительность датчика силы может быть увеличена за счет углубления и/или расширения обоих продольных отверстий. Она может быть уменьшена за счет увеличения диаметра обоих отверстий.
В датчике силы, описание которого приведено в GB 2 162 322 А, с помощью снятия материала оказывается влияние на характеристики измерения, с целью увеличения измерительного диапазона с линейной характеристикой. При этом чувствительность датчика силы увеличивается посредством увеличения глубины и/или ширины двух продольных отверстий, и уменьшается посредством увеличения двух отверстий. Таким образом, должен очень точно устанавливаться измерительный диапазон с линейной характеристикой. Этот процесс является итеративным и трудоемким.
Задачей изобретения является создание датчика силы, в котором не требуется механическая настройка посредством снятия материала и/или электрическая настройка для компенсации обусловленных изготовлением допусков в его теле деформации или в его датчиках удлинения, который, однако, работает линейно и обеспечивает очень точные результаты измерения.
Эта задача решена с помощью датчика силы в соответствии с независимым пунктом 1 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования датчика силы указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно пункту 1 формулы изобретения, датчик силы для измерения сил сжатия и/или растяжения содержит стрежневое тело деформации, которое имеет по меньшей мере одну переднюю сторону, одну заднюю сторону, одну левую сторону, одну правую сторону, одну верхнюю торцевую сторону и одну нижнюю торцевую сторону, и по меньшей мере четыре датчика удлинения, которые установлены на теле деформации и предназначены для измерения продольного удлинения и поперечного удлинения тела деформации. На передней стороне предусмотрена передняя удлиненная выемка в зоне точки пересечения между центральной продольной осью и центральной поперечной осью тела деформации. Противоположно передней удлиненной выемке на задней стороне предусмотрена задняя удлиненная выемка. На левой стороне предусмотрен по меньшей мере один левый верхний вырез над центральной поперечной осью и один левый нижний вырез под центральной поперечной осью. Противоположно этим вырезам на левой стороне предусмотрены на правой стороне по меньшей мере один правый верхний вырез и один правый нижний вырез. Угол между центральной поперечной осью и кратчайшей соединительной линией между передней удлиненной выемкой и левым верхним вырезом не меньше 17° и не больше 29°.
Специальная форма тела деформации с удлиненными выемками на его передней и задней стороне, с вырезами на его левой и правой стороне, а также с полностью определенным углом приводит к тому, что тело деформации при воздействии подлежащей измерению силы сжатия симметрично удлиняется в левую сторону и в правую сторону. При воздействии подлежащей измерению силы растяжения оно стягивается, соответственно, симметрично с левой стороны и с правой стороны. Это справедливо также при воздействующей не совсем коаксиально силы и/или при влиянии дополнительных поперечных сил.
Симметричная деформация достигается тем, что между удлиненными выемками и вырезами, которые расположены точно определенным образом, остается лишь тонкая перемычка. За счет этого достигается своего рода «шарнирное действие», которое приводит к симметричной деформации. Этот эффект возникает особенно отчетливо тогда, когда угол между центральной поперечной осью и кратчайшей соединительной линией не меньше 17° и не больше 29°. Это справедливо независимо от номинальной нагрузки датчика силы.
Таким образом, датчик силы после его изготовления, также без механической настройки с помощью снятия материала и/или электрической настройки для компенсации обусловленных изготовлением допусков в теле деформации или датчиках удлинения, в частности без ротационной настройки, является не чувствительным к влияниям мешающих сил. За счет этого можно отказаться от трудоемких мер настройки, и датчик силы можно легко настраивать. Дополнительно к этому он имеет высокую линейность и точность измерения, которые являются полностью достаточными при нормальных требованиях к точности измерения. Это обеспечивается независимо от номинальной нагрузки датчика силы, когда имеются указанные выше признаки.
Согласно пункту 2 формулы изобретения, удлиненные выемки выполнены по существу эллиптическими.
При эллиптической или приблизительно эллиптической форме удлиненных выемок они выполнены полностью вогнутыми. Когда вырезы также выполнены полностью вогнутыми, то в этом случае точно между выемкой и вырезом имеется самое тонкое место. Это способствует симметричной деформации тела деформации как при воздействии подлежащей измерению силы сжатия, так и при воздействии подлежащей измерению силы растяжения. Дополнительно к этому, по существу эллиптические удлиненные выемки можно просто изготавливать с помощью ротационно-симметричного инструмента.
Согласно пункту 3 формулы изобретения, вырезы выполнены по существу с формой части круга.
При форме части круга или приблизительно форме части круга вырезов они выполнены полностью вогнутыми. Когда удлиненные выемки также выполнены полностью вогнутыми, то в этом случае наиболее тонкое место имеется точно между выемкой и вырезом. Это в свою очередь благоприятствует симметричной деформации тела деформации как при воздействии подлежащей измерению силы сжатия, так и при воздействии подлежащей измерению силы растяжения. Дополнительно к этому, по существу имеющие форму части круга вырезы можно просто изготавливать с помощью ротационно-симметричного инструмента.
Согласно пункту 4 формулы изобретения, передняя удлиненная выемка и задняя удлиненная выемка расположены центрированно относительно точки пересечения. Дополнительно к этому, левый верхний вырез и левый нижний вырез, а также правый верхний вырез и правый нижний вырез расположены симметрично относительно центральной поперечной оси.
Центральное расположение удлиненных выемок и симметричное расположение вырезов приводят к тому, что силовые линии подлежащей измерению силы сжатия или силы растяжения равномерно распределяются в теле деформации. За счет этого тело деформации также деформируется равномерно.
Согласно пункту 5 формулы изобретения, в передних удлиненных выемках предусмотрены по меньшей мере четыре передние выемки, и противоположно им в задней удлиненной выемке предусмотрено по меньшей мере четыре задние выемки, при этом это могут быть сквозные или не сквозные выемки.
За счет передних и задних выемок желаемым образом поддерживается симметричная деформация тела деформации.
Согласно пункту 6 формулы изобретения, при измерении силы соотношение между поперечным удлинением и продольным удлинением лежит между 55% и 72%.
При таком соотношении между поперечным удлинением и продольным удлинением, которое значительно отличается от обычного соотношения между поперечным удлинением и продольным удлинением, равным примерно 30% для состоящих из металла датчиков силы, таких как указанные в ЕР 0 800 064 В1, достигаются, при специальной форме тела деформации, наилучшие результаты измерения.
Согласно пункту 7 формулы изобретения, в передней удлиненной выемке расположены по меньшей мере два передних датчика удлинения, и в задней удлиненной выемке расположены по меньшей мере два задних датчика удлинения. Один из передних датчиков удлинения и один из задних датчиков удлинения расположены центрально относительно точки пересечения и предназначены для измерения продольного удлинения. Один из передних датчиков удлинения и один из задних датчиков удлинения относительно проходящей ортогонально центральной продольной оси и содержащей центральную поперечную ось средней плоскости расположен не посредине и предназначен для измерения поперечного удлинения.
За счет центрирования датчиков удлинения для измерения продольного удлинения относительно точки пересечения они расположены в месте, где они обеспечивают наилучшие результаты измерения. Расположение вне середины датчиков удлинения для измерения поперечного удлинения, которые могут быть также расположены не в этом месте, оказывает меньшее влияние на выдаваемое датчиком силы измерительное значение. Их результаты измерения вносят меньше в выдаваемое измерительное значение, чем результаты измерения датчиков удлинения для измерения продольного удлинения.
Согласно пункту 8 формулы изобретения, в передней удлиненной выемке расположены по меньшей мере три передних датчика удлинения, и в задней удлиненной выемке расположены по меньшей мере три задних датчика удлинения. Один из передних датчиков удлинения и один из задних датчиков удлинения расположен центрированно относительно пункта пересечения и предназначен для измерения продольного удлинения. Два передних датчика удлинения и два задних датчика удлинения расположены относительно центральной поперечной оси симметрично выше и ниже этой оси и предназначены для измерения поперечного удлинения.
За счет центрирования датчиков удлинения для измерения продольного удлинения относительно точки пересечения, они расположены каждый в месте, где они поставляют наилучшие результаты измерения. Симметричное расположение соответствующих двух передних и задних датчиков удлинения для измерения поперечного удлинения обеспечивает возможность компенсации их результатов измерения, обусловленных расположением не посредине этих датчиков удлинения.
Согласно пункту 9 формулы изобретения, тело деформации выполнено симметричным относительно образованной центральной продольной осью и центральной поперечной осью первой плоскости. Дополнительно к этому, тело деформации по меньшей мере в одной зоне, в которой находятся передняя удлиненная выемка, задняя удлиненная выемка и вырезы, также выполнено симметричным относительно проходящей ортогонально к центральной поперечной оси и содержащей центральную продольную ось второй плоскости, и выполнено симметрично относительно проходящей ортогонально к центральной продольной оси и содержащей центральную поперечную ось средней плоскости.
В основном симметричное выполнение тела деформации способствует его симметричной деформации.
Указанные металлы имеют свойства материала и, в частности, коэффициенты Пуассона, которые обеспечивают желаемые характеристики деформации тела деформации.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1а, 1b и 1с - датчик 101 силы, согласно первому примеру выполнения;
фиг.2а, 2b и 2с - датчик 201 силы, согласно второму примеру выполнения;
фиг.3а, 3b и 3с - датчик 301 силы, согласно третьему примеру выполнения;
фиг.4а, 4b и 4с - датчик 401 силы, согласно четвертому примеру выполнения; и
фиг.5а, 5b и 5с - датчик 501 силы, согласно пятому примеру выполнения.
На фиг.1а показан на виде спереди датчик 101 силы, согласно первому примеру выполнения. На фиг.1b показан разрез датчика 101 силы по линии K-K, и на фиг.1с показан датчик 101 силы в изометрической проекции.
Датчик 101 силы содержит стержневое тело 102 деформации из такого материала, как, например, сталь, титан, алюминий или сплав бериллия и меди. Оно может быть выполнено из стержня, например, отрезка круглой стали или прямоугольной стали. Приведенное ниже описание исходит из того, что тело деформации основано на цилиндрическом стержне и имеет само цилиндрическую основную форму, как показано на фигурах. Однако возможны также другие варианты выполнения, в которых тело 102 деформации может иметь также больше сторон, чем указано в последующем описании.
Тело 102 деформации имеет центральную продольную ось L, которая в показанном на фиг.1а виде спереди проходит вертикально. Оно имеет также первую центральную поперечную ось Q1, которая расположена ортогонально центральной продольной оси L и которая в показанном на фиг.1а виде спереди проходит горизонтально. Вторая центральная поперечная ось Q2 тела 102 деформации, которая расположена ортогонально центральной продольной оси L и первой центральной поперечной оси Q1, проходит в показанном на фиг.1а виде спереди в плоскость изображения и показана на фиг.1b. Центральная продольная ось L, а также обе центральные поперечные оси Q1 и Q2 проходят все через общую точку S пересечения и ортогонально друг другу. Они образуют три плоскости, которые также проходят ортогонально друг другу. Датчик 101 силы и его тело 102 деформации являются в основном симметричными относительно каждой из трех образованных с помощью центральной продольной оси L, а также обеих центральных поперечных осей Q1 и Q2 плоскостей, как будет более подробно пояснено ниже.
Тело 102 деформации имеет переднюю сторону 103, которая в показанном на фиг.1а виде спереди изображена фронтально. Оно имеет также показанную на фиг.1а не полностью заднюю сторону 104, которая показана на фиг.1b по меньшей мере в поперечном сечении. Она симметрична показанной на фиг.1а передней стороне и выглядит также при фронтальном рассматривании. Другими словами, на фиг.1а могла быть показана фронтально также задняя сторона 104, только с обозначением другой позицией. Кроме того, тело 102 деформации имеет находящуюся на фиг.1а слева левую сторону 105, находящуюся на фиг.1а справа правую сторону 106, находящуюся на фиг.1а сверху верхнюю торцевую сторону 107, и находящуюся на фиг.1а снизу нижнюю торцевую сторону 108.
Верхняя торцевая сторона 107 и нижняя торцевая сторона 108 образуют каждая поверхность ввода силы, через которые можно вводить подлежащую измерению силу F, соответственно, соответствующую противоположную силу. Верхняя торцевая сторона 107 и нижняя торцевая сторона 108 выполнены предпочтительно сферическими и центрированы относительно центральной продольной оси L. Однако верхняя торцевая сторона 107 и нижняя торцевая сторона 108 могут быть выполнены плоскими. Кроме того, как верхняя торцевая сторона 107, так и нижняя торцевая сторона 108 могут быть выполнены плоскими.
Как показано на фиг.1b и особенно на фиг.1с, при изготовлении тела 102 деформации из цилиндрического стержня, который составляет его основу, в его средней в продольном направлении зоне спереди и сзади снят материал, так что передняя сторона 103 и задняя сторона 104 в его средней зоне выполнены уплощенными, соответственно, плоскими. На верхнем и нижнем конце тела 102 деформации сохраняется цилиндрическая основная форма, однако диаметр изменяется в несколько ступеней, как будет пояснено ниже.
Как показано, в частности, на фиг.1а и 1с, тело 102 деформации имеет на своей передней стороне 103 переднюю удлиненную выемку 109, которая проходит в направлении проходящей через верхнюю торцевую сторону 107 и нижнюю торцевую сторону 108 центральной продольной оси L тела 102 деформации в уплощенной зоне передней стороны 103. Она имеет на своем верхнем конце и на своем нижнем конце еще значительное расстояние до края уплощенной зоны передней стороны 103, в то время как на своем левом конце и на своем правом конце она заканчивается вблизи этого края. Другими словами, главная ось передней удлиненной выемки 109 проходит в направлении центральной продольной оси L, а ее побочная ось проходит в направлении первой центральной поперечной оси Q1, при этом ее главные вершины образуют ее верхний и нижний конец, а ее побочные вершины образуют ее левый и правый конец.
На своей задней стороне 104 тело 102 деформации имеет заднюю удлиненную выемку 110, которая не полностью видна на чертеже, но показана на фиг.1b по меньшей мере в поперечном разрезе. Она лежит противоположно передней удлиненной выемке 109, имеет ту же форму и находится в уплощенной зоне задней стороны 104. Другими словами, на фиг.1а и 1с могла быть показана также задняя удлиненная выемка 110, только с обозначением другой позицией.
Обе удлиненные выемки 109 и 110 находятся каждая в середине тела 102 деформации, т.е. в зоне точки S пересечения между центральной продольной осью L, проходящей от левой стороны 105 к правой стороне 106 первой поперечной осью Q1 и проходящей от передней стороны 103 к задней стороне 104 второй поперечной осью Q2. Точнее говоря, обе удлиненные выемки 109 и 110 расположены центрированно относительно точки S пересечения. Каждая из удлиненных выемок 109 и 110 предпочтительно выполнена эллиптической. Однако возможны также другие удлиненные формы, такие как, например, форма удлиненного отверстия или указанная в связи с пятым примером выполнения форма.
Как показано на фиг.1b, между передней удлиненной выемкой 109 и задней удлиненной выемкой 110 остается средняя перемычка 111, на которую наносятся датчики удлинения, как будет пояснено ниже. Основная поверхность на нижнем конце передней удлиненной выемки 109 и основная поверхность на нижнем конце задней удлиненной выемки 110, которые образуют соответствующую сторону средней перемычки 111, предпочтительно являются плоскопараллельными.
Глубина удлиненных выемок 109 и 110 и тем самым толщина d остающейся между ними перемычки 111 выбраны в зависимости от номинальной нагрузки, для которой предназначен датчик 101 силы. Первый пример выполнения исходит из относительно небольшой номинальной силы, такой как, например, 7500 кг, так что толщина d средней перемычки 111 в этом случае является сравнительно небольшой. При более высоких номинальных нагрузках толщина d, соответственно, больше, с целью выполнения высоких требований к стабильности тела 102 деформации.
Как показано на фиг.1а и 1с, тело 102 деформации имеет на своей левой стороне 105 левую верхнюю канавку, соответственно, вырез 112, который находится над первой центральной поперечной осью Q1, и левую нижнюю канавку, соответственно, вырез 103, который находится под первой центральной поперечной осью Q1. Кроме того, на правой стороне 106 тела 102 деформации предусмотрены правая верхняя канавка, соответственно, вырез 114, который находится над первой центральной поперечной осью Q1 и лежит противоположно левому верхнему вырезу 112, и правая нижняя канавка, соответственно, вырез 115, который находится под первой центральной поперечной осью Q1 и лежит противоположно левому нижнему вырезу 113. Возможны также варианты выполнения с более чем двумя вырезами на каждой стороне.
Левые вырезы 112 и 113 имеют оба одинаковое расстояние до первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, до образованной ею и второй центральной поперечной осью Q2 плоскости, т.е. они расположены симметрично относительно первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, этой плоскости. То же справедливо также для правых вырезов 114 и 115. Каждый из вырезов 112, 113, 114 и 115 предпочтительно выполнен в форме части круга, однако может иметь также другую форму, например, части эллипса. В датчике 101 силы, согласно первому примеру выполнения, каждый из вырезов 112, 113, 114 и 115 проходит в уплощенную зону передней стороны 103 и в уплощенную зону задней стороны 104.
Между передней удлиненной выемкой 109 и вырезами 112, 113, 114 и 115 остается, так же как и между задней удлиненной выемкой 110 и вырезами 112, 113, 114 и 115, соответствующая перемычка, которая в своем наиболее тонком месте имеет ширину b. Это показано на фиг.1а в качестве примера для передней удлиненной выемки 109, левого верхнего выреза 112 и перемычки 116 между ними, однако на основании в основном симметричного выполнения тела 102 деформации справедливо также, соответственно, для других вырезов 113, 114 и 115, а также для задней удлиненной выемки 110. Другими словами, между передней удлиненной выемкой 109 и каждым из вырезов 112, 113, 114 и 115 имеется перемычка, которая в своем наиболее тонком месте имеет ширину b.
Когда передняя удлиненная выемка 109 и задняя удлиненная выемка 110 выполнены строго вогнутыми, соответственно, вогнутыми по всей длине, т.е., например, как указывалось выше, имеют эллиптическую форму, а также вырезы 112, 113, 114 и 115 выполнены строго вогнутыми, соответственно, вогнутыми по всей длине, т.е., например, как указывалось выше, имеют форму части круга, то между одной из удлиненных выемок 109 и 110, а также одним из вырезов 112, 113, 114 и 115 имеется точно одно наиболее тонкое место, в котором соответствующая перемычка имеет ширину b. Таким образом, имеется точно одна кратчайшая линия соединения с длиной l, которая равна ширине b перемычки, между удлиненной выемкой и вырезом. Например, как показано на фиг.1а, имеется кратчайшая соединительная линия V с длиной l между передней удлиненной выемкой 109 и левым верхним вырезом 112.
Угол α между первой центральной поперечной осью Q1 и кратчайшей соединительной линией V с длиной l между передней удлиненной выемкой 109 и левым верхним вырезом 112, соответственно, продолжением этой кратчайшей соединительной линии V, как показано на фиг.1а, составляет между 17° и 29°, т.е. не меньше 17° и не больше 29°. На основании в основном симметричного выполнения тела 102 деформации это справедливо также, соответственно, для задней удлиненной выемки 110, а также для других вырезов 113, 114 и 115.
На передней стороне 103 тела 102 деформации, как показано на фиг.1а и 1с, установлены передний средний экстензометр 117 , передний верхний экстензометр 118 и передний нижний экстензометр 119 , которые могут быть реализованы на одном общем носителе или на отдельных носителях. На фиг.1а и 1с показан вариант выполнения с одним общим передним носителем 120. Общий носитель обеспечивает указанные в ЕР 0 800 064 В1 преимущества, такие как, например, низкая стоимость изготовления, небольшие затраты на соединение и упрощенная установка.
Общий передний носитель 120, соответственно, передние датчики 117, 118 и 119 удлинения расположены в передней удлиненной выемке 109. Передний средний экстензометр 117 предназначен для измерения возникающего в направлении центральной продольной оси L продольного удлинения тела 102 деформации и расположен центрированно относительно точки S пересечения. В противоположность этому, передний верхний экстензометр 118 и передний нижний экстензометр 119 предназначены для измерения возникающего в направлении первой центральной поперечной оси Q1 поперечного удлинения тела 102 деформации, расположены центрированно относительно центральной продольной оси L и симметрично относительно первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, образованной ею и второй центральной поперечной осью Q2 плоскости, т.е. на равном расстоянии до них, выше и ниже первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, этой плоскости.
На задней стороне 104 тела 102 деформации установлены задний средний экстензометр 121 , задний верхний экстензометр 122 и задний нижний экстензометр 123 , которые не видны на фиг.1а и 1с и видны лишь частично на фиг.1b. Они соответствуют передним датчикам 117, 118 и 119 удлинения и лежат, соответственно, противоположно им. Они могут быть также реализованы на одном общем носителе или на отдельных носителях, при этом используется не видимый на фиг.1а и 1с и видимый в поперечном сечении на фиг.1b задний общий носитель 124. В соответствии с этим, на фиг.1а и 1с могли быть показаны также три задних датчика 121, 122 и 123 удлинения, а также их общий задний носитель 124, обозначенные другими позициями.
Таким образом, общий задний носитель 124, соответственно, задние датчики 121, 122 и 123 расположены в задней удлиненной выемке 110 и противоположно переднему общему носителю 120, соответственно, передним датчикам 117, 118 и 119 удлинения. Задний средний экстензометр 121 также как передний средний экстензометр 117 предназначен для измерения возникающего в направлении центральной продольной оси L продольного удлинения тела 102 деформации и расположен центрированно относительно точки S пересечения. В противоположность этому, задний верхний экстензометр 122 и задний нижний экстензометр 123  так же, как передние датчики 118 и 119 удлинения, предназначены для возникающего в направлении первой центральной поперечной оси Q1 поперечного удлинения, расположены центрированно относительно центральной продольной оси L и симметрично относительно первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, образованной ею и второй центральной поперечной осью Q2 плоскости, т.е. на одинаковом расстоянии до них, выше и ниже первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, этой плоскости.
Датчики 117, 118, 119, 121, 122 и 123 могут быть, например, электрическими или оптическими датчиками удлинения. Так, например, передние датчики 117, 118 и 119 удлинения могут быть реализованы в виде трех измерительных решеток на пленке пленочной измерительной полоски удлинения, а также задние датчики 121, 122 и 123 удлинения могут быть реализованы в виде трех измерительных решеток на пленке другой пленочной измерительной полоски удлинения, или же все датчики удлинения могут быть реализованы в виде решетки Брэгга из оптических полосок измерения удлинения.
Может быть также предусмотрено другое количество датчиков удлинения. Так, например, как на передней стороне, так и на задней стороне 104 может быть установлен лишь один датчик удлинения для измерения продольного удлинения и один датчик удлинения для измерения поперечного удлинения, как указано в ЕР 0 800 064 В1. Датчики удлинения могут быть соединены друг с другом в мост Уитстона. Дополнительно к этому, могут быть предусмотрены определенные электронные конструктивные элементы для дальнейшей обработки поставляемых датчиками удлинения сигналов, такие как, например, усилители, аналого-цифровые преобразователи и т.д., при этом они могут быть также реализованы в виде частей интегральной схемы.
Когда датчик 101 силы применяется для измерения вводимой силы F, т.е. при измерении силы, то соотношение между измеряемыми датчиками 117, 118, 119, 121, 122 и 123 удлинения поперечным удлинением и продольным удлинением тела 102 деформации лежит между 55% и 72%.
Как показано на фиг.1а и 1с, в передней удлиненной выемке 109 предусмотрены четыре передние выемки 125’, 125’’, 125’’’ и 125’’’’, которые в последующем называются вместе передними выемками 125. Первая передняя выемка 125’ и вторая передняя выемка 125’’ расположены над передними датчиками 117, 118 и 119 удлинения, соответственно, над передним общим носителем 120 и имеют оба одинаковое расстоянии до центральной продольной оси L, соответственно, образованной ею и второй центральной поперечной осью Q2 плоскости, т.е. они расположены симметрично относительно центральной продольной оси L, соответственно, этой плоскости. Третья передняя выемка 125’’’ и четвертая передняя выемка 125’’’’ расположены ниже передних датчиков 117, 118 и 119 удлинения, соответственно, ниже переднего общего носителя 120 и имеют оба одинаковое расстояние до центральной продольной оси L, соответственно, образованной ею и второй центральной поперечной осью Q2 плоскости, т.е. они расположены симметрично относительно центральной продольной оси L, соответственно, этой плоскости.
Первая передняя выемка 125’ и вторая передняя выемка 125’’ на одной стороне, а также третья передняя выемка 125’’’ и четвертая передняя выемка 125’’’’ на другой стороне имеют дополнительно одинаковое расстояние до первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, образованной ею и второй центральной поперечной осью Q2 плоскости, т.е. они расположены симметрично относительно первой центральной поперечной оси Q1, соответственно, этой плоскости.
В задней удлиненной выемке 110 предусмотрены четыре задние выемки 126’, 126’’, 126’’’ и 126’’’’, которые не показаны на фигурах и в последующем называются вместе задними выемками 126. Они лежат противоположно четырем передним выемкам 125 и имеют одинаковую с ними форму. Другими словами, на фиг.1а и 1с могли быть показаны также четыре задние выемки 126 и обозначены другими позициями.
Четыре передние выемки 125 могут быть сквозными выемками, при этом в этом случае они совпадают с четырьмя задними выемками 126, т.е. являются идентичными. Четыре передние выемки 125 и четыре задние выемки 126 могут быть также не сквозными выемками, при этом в этом случае остается материал между основными поверхностями на нижних концах противоположно лежащих выемок. Это реализовано в датчике 101 силы, согласно первому примеру выполнения.
Четыре передние выемки 125 и четыре задние выемки 126 могут иметь круглое поперечное сечение, как показано на фиг.1а и 1с, однако могут иметь также, например, эллиптическое поперечное сечение, выполнены в виде удлиненных отверстий или иметь другие формы. Дополнительно к этому, может быть предусмотрено больше или меньше, чем четыре выемки, и выемки могут быть также позиционированы по-другому, чем на фиг.1а и 1с.
На верхнем и нижнем конце тела 102 деформации находится в переходе от уплощенной зоны передней стороны 103, соответственно, задней стороны 104 к зоне, в которой сохраняется цилиндрическая основная форма, сначала окружной узкий верхний выступ 127, соответственно, окружной узкий нижний выступ 128, диаметр которого немного больше как расстояния от левой стороны 105 до правой стороны 106, так и диаметра тела 102 деформации непосредственно после выступов 127 и 128, который предпочтительно равен этому расстоянию. Затем следуют верхний первый участок 129, соответственно, нижний первый участок 130 с этим диаметром и верхний второй участок 131, соответственно, нижний второй участок 132 с меньшим диаметром, при этом верхний второй участок 131 на своем верхнем конце завершается верхней торцевой стороной 107, соответственно, образуемой верхней торцевой стороной 107 поверхностью ввода силы, и нижний второй участок 132 на своем нижнем конце завершается задней торцевой стороной 108, соответственно, образуемой верхней торцевой стороной 108 поверхностью ввода силы.
На верхней втором участке 131 для соединения с устройством для ввода силы, таким как, например, платформа весов, с помощью которого может вводиться подлежащая измерению сила F, как показано на фиг.1а и 1с, выполнена резьба 133, или предусмотрено другое не изображенное крепежное средство, такое как, например, поперечное отверстие. На нижнем втором участке 132 для соединения с устройством для ввода силы, таким как, например, платформа весов, с помощью которого может вводиться подлежащая измерению сила F, как показано на фиг.1а и 1с, выполнена резьба 134, или предусмотрено другое не изображенное крепежное средство, такое как, например, поперечное отверстие.
В верхнем первом участке 129 может быть предусмотрено сквозное отверстие 135, которое начинается горизонтально, затем наклонно проходит вниз и, наконец, под нижним верхним выступом 127 заканчивается в верхней зоне правого верхнего выреза 114. Оно служит для прохождения не изображенного кабеля, с помощью которого могут быть подключены датчики 117, 118, 119, 121, 122 и 123 удлинения или включенные за ними электронные конструктивные элементы. Таким образом, датчики 117, 118, 119, 121, 122 и 123 или электронные конструктивные элементы могут быть соединены, например, с устройством оценки и/или устройством индикации, даже когда они для защиты от пыли, влаги или других влияний окружения герметично закрыты. При этом герметизация может быть реализована, например, с помощью закрытой кругом втулки, которая проходит вдоль центральной продольной оси L примерно так далеко, как уплощенная зона передней стороны 103, соответственно, задней стороны 104.
На фиг.2а показан на виде спереди датчик 201 силы, согласно второму примеру выполнения, на фиг.2b - разрез датчика 201 силы по линии K-K, и на фиг.2с датчик 201 силы показан в изометрической проекции.
Элементы 202-224 и 227-235 соответствуют, за исключением указанных ниже модификаций, указанным в связи с первым примером выполнения элементам 102-124 и 127-135, в то время как в датчике 201 силы, согласно второму варианту выполнения, не предусмотрены соответствующие передним выемкам 125 и задним выемкам 126 элементы. Модификации обусловлены тем, что во втором примере выполнения повышена номинальная нагрузка, например, до 15000 кг.
Как показано на фиг.2а, 2b и 2с, удлиненные выемки 209 и 210 выполнены немного уже, чем удлиненные выемки 109 и 110, что относится также в равной мере к уплощенным зонам передней стороны 203 и задней стороны 204. Толщина d средней перемычки 211 несколько больше ширины средней перемычки 111. Удлиненные выемки 209 и 210 имеют каждая на своем верхнем конце и на своем нижнем конце значительное расстояние до края уплощенной зоны передней стороны 203, соответственно, задней стороны 204, однако на своем левом конце и на своем правом конце проходят почти до этого края.
Вырезы 212, 213, 214 и 215 выполнены несколько менее глубокими, чем вырезы 112, 113, 114 и 115 и проходят до края уплощенной зоны передней стороны 203 и до края уплощенной зоны задней стороны 204.
На фиг.3а показан на виде спереди датчик 301 силы, согласно третьему примеру выполнения, на фиг.3b - разрез датчика 301 силы по линии K-K, и на фиг.3с датчик 301 силы показан в изометрической проекции.
Элементы 302-332 и 335 соответствуют, за исключением указанных ниже модификаций, указанным в связи с первым примером выполнения элементам 102-132 и 135, в то время как в датчике 301 силы, согласно третьему варианту выполнения, не предусмотрены соответствующие верхней резьбе 133 и нижней резьбе 134 элементы. Модификации обусловлены тем, что в третьем примере выполнения повышена номинальная нагрузка, например, до 20000 кг.
Как показано на фиг.3а, 3b и 3с, удлиненные выемки 309 и 310 выполнены более узкими, чем удлиненные выемки 109 и 110, что относится также в равной мере к уплощенным зонам передней стороны 303 и задней стороны 304. Толщина d средней перемычки 311 больше ширины средней перемычки 111. Удлиненные выемки 309 и 310 имеют каждая на своем верхнем конце и на своем нижнем конце значительное расстояние до края уплощенной зоны передней стороны 303, соответственно, задней стороны 304, однако на своем левом конце и на своем правом конце проходят до этого края.
Вырезы 312, 313, 314 и 315 выполнены более глубокими и с меньшим радиусом, чем вырезы 112, 113, 114 и 115, однако проходят также в уплощенную зону передней стороны 303 и в уплощенную зону задней стороны 304.
Четыре передние выемки 325 являются сквозными выемками и совпадают с задними выемками 326, соответственно, идентичны им.
На фиг.4а показан на виде спереди датчик 401 силы, согласно третьему примеру выполнения, на фиг.4b - разрез датчика 401 силы по линии K-K, и на фиг.4с датчик 401 силы показан в изометрической проекции.
Элементы 402-432 и 435 соответствуют, за исключением указанных ниже модификаций, указанным в связи с первым примером выполнения элементам 102-132 и 135, в то время как в датчике 401 силы, согласно четвертому варианту выполнения, не предусмотрены соответствующие верхней резьбе 133 и нижней резьбе 134 элементы. Модификации обусловлены тем, что в четвертом примере выполнения повышена номинальная нагрузка, например, до 30000 кг.
Как показано на фиг.4а, 4b и 4с, удлиненные выемки 409 и 410 выполнены значительно более узкими, чем удлиненные выемки 109 и 110, что относится также в равной мере к уплощенным зонам передней стороны 403 и задней стороны 404. Толщина d средней перемычки 411 значительно больше ширины средней перемычки 111. Удлиненные выемки 409 и 410 имеют каждая на своем верхнем конце и на своем нижнем конце значительное расстояние до края уплощенной зоны передней стороны 403, соответственно, задней стороны 404, однако на своем левом конце и на своем правом конце проходят до этого края.
Вырезы 412, 413, 414 и 415 выполнены более глубокими и с меньшим радиусом, чем вырезы 112, 113, 114 и 115. Они проходят каждый не совсем до уплощенной зоны передней стороны 403 и до уплощенной зоны задней стороны 404.
В передних удлиненных выемках 409 предусмотрено шесть передних выемок 425’, 425’’, 425’’’, 425’’’’, 425’’’’’ и 245’’’’’’, которые в последующем называются вместе передними выемками 425. Четыре передние выемки 425’, 425’’, 425’’’ и 425’’’’ соответствуют четырем передним выемкам 125’, 125’’, 125’’’ и 125’’’’. Пятая передняя выемка 425’’’’’ расположена над первой передней выемкой 425’ и второй передней выемкой 425’’, а также центрированно относительно центральной продольной оси L. Шестая передняя выемка 425’’’’’’ расположена под третьей передней выемкой 425’’’ и четвертой передней выемкой 425’’’’, а также центрированно относительно центральной продольной оси L. Шесть передних выемок 425 являются каждая сквозными выемками и совпадают с шестью задними выемками 426, соответственно, идентичны им.
На фиг.5а показан на виде спереди датчик 501 силы, согласно пятому примеру выполнения, на фиг.5b - разрез датчика 501 силы по линии K-K, и на фиг.5с датчик 501 силы показан в изометрической проекции.
Датчик 501 силы, согласно пятому примеру выполнения является аналогичным датчику 101 силы, согласно первому примеру выполнения. Элементы 502-508 и 511-535 соответствуют указанным в связи с первым примером выполнения элементам 102-108 и 111-135. Лишь удлиненные выемки 509 и 510 выполнены отлично от удлиненных выемок 109 и 110.
Как показано на фиг.2а и 5с, удлиненные выемки 509 и 510 на своем верхнем конце и на своем нижнем конце еще раз расширяются. За счет этого края вырезов 512, 513, 514 и 515 и края удлиненных выемок 509 и 510 проходят на одном отрезке параллельно, и это не является самым тонким местом, а самой тонкой зоной с шириной d, в которой имеется соответствующая перемычка между выемкой и вырезом. Таким образом, имеется не точно одна кратчайшая линия соединения с длиной l, которая равна ширине b перемычки, между удлиненной выемкой и вырезом. Поэтому в данном случае для определения угла α релевантной является та кратчайшая линия соединения, которая проходит через середину самой тонкой зоны с шириной b. Это показано на фиг.5а для кратчайшей линии V соединения с длиной l между передней удлиненной выемкой 509 и левым верхним вырезом 512.
Пока края вырезов 512, 513, 514 и 515 и удлиненных выемок 509 и 510 проходят лишь на коротком отрезке параллельно, и тем самым наиболее тонкая зона с шириной b в соответствующей перемычке между выемкой и вырезом является небольшой, то, когда угол α не меньше 17° и не больше 29°, возникают те же положительные эффекты, как в других примерах выполнения.
Форма удлиненных выемок 509 и 510 является одной из многих возможных альтернатив полностью эллиптической форме удлиненных выемок. При этом эти альтернативы могут основываться не только на первом примере выполнения, но также на втором, третьем или четвертом примере выполнения.
Возможны другие модификации датчиков 101-501, согласно первому - пятому примеру выполнения. Так, например, в датчике 101 силы, согласно первому примеру выполнения, могут быть предусмотрены соответствующие передним выемкам 125 и задним выемкам 126 элементы, при этом это могут быть сквозные или не сквозные выемки. Дополнительно к этому, во всех примерах выполнения возможно другое количество передних и задних выемок.
Кроме того, например, в датчике 301 силы, согласно третьему примеру выполнения, и в датчике 401 силы, согласно четвертому примеру выполнения могут быть предусмотрены соответствующие верхней резьбе 133 и нижней резьбе 134 элементы или другие крепежные средства. Также датчики силы, согласно другим примерам выполнения, могут быть выполнены без такой резьбы или крепежных средств.
Кроме того, возможны многочисленные модификации указанных выше датчиков силы, в частности, относительно поясненных элементов этих датчиков силы.
Таким образом, данное изобретение относится к датчику силы для измерения сил сжатия и/или растяжения, который имеет стержневое тело деформации по меньшей мере с одной передней стороной, одной задней стороной, одной левой стороной, одной правой стороной, одной верхней торцевой стороной и одной нижней торцевой стороной, а также по меньшей мере с четырьмя датчиками удлинения, которые установлены на теле деформации и предназначены для измерения поперечного удлинения и продольного удлинения тела деформации. На передней стороне предусмотрена передняя удлиненная выемка в зоне точки пересечения между центральной продольной осью и центральной поперечной осью тела деформации. Противоположно передней удлиненной выемке на задней стороне предусмотрена задняя удлиненная выемка. На левой стороне предусмотрены по меньшей мере один левый верхний вырез над центральной поперечной осью и один левый нижний вырез под центральной поперечной осью. Противоположно этим вырезам на левой стороне предусмотрены на правой стороне по меньшей мере один правый верхний вырез и один правый нижний вырез. Угол между центральной поперечной осью и кратчайшей линии соединения между передней удлиненной выемкой и левым верхним вырезом не меньше 17° и не больше 29°.
Датчик силы может также работать с высокой линейностью без механической настройки посредством снятия материала и/или электрической настройки для компенсации обусловленный изготовлением допусков в теле деформации или датчиках удлинения и поставлять очень точные результаты измерения.