專利名稱：一種用于感知支承元件中支承力的測壓元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測支承元件中支承力的測壓元件，特別是針對在起重車 輛、移動式提升絞車、移動式鉆井平臺、自驅(qū)式炮架或類似設(shè)備中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
圖1中示意性示出了一臺起重車輛，置于支腳a上，支腳a用作支承元件，以確保 運行過程中的直立。支承元件a通常配置在固定于車輛底座c上的伸縮式支承臂b的端部。 在起重機所在之處，整個車輛在支承元件協(xié)助下被以液壓方式提起。車輪與地面不接觸。當(dāng)作用力通過支承元件垂向傳遞至地面時，重力分布可以被確定，由此車輛重心、 特別是在提升載荷時的重心也可以被確定，這又可用于確定起重機的傾倒臨界點。測量支承力的一種可能方式是將測壓元件置于每一支承元件的作用力流中。所述 測壓元件此時會以諸如上述的方式發(fā)送一個對應(yīng)于被評價的相應(yīng)支承力的信號。在由支承元件托舉起車輛時，以及在提升起載荷、車輛構(gòu)架時，伸縮式支承臂和支 承元件會發(fā)生變形，使得立于地面上的支承元件的端部或支腳傾向于沿水平方向d相互分 離，如圖2所示。然而這種移動被地面與支腳a之間存在的大于零的摩擦系數(shù)所部分阻止。 由此，在支承元件之間將形成水平的反作用力，該反作用力會在作用力流所通過的所有組 件中生成彎矩。測量方面的問題在于，任何實際的測壓元件不會僅在其設(shè)計的作用力方向作出反 應(yīng)，還會對作用于同一元件的沿其他所有方向的力和力矩作出或多或少的反應(yīng)。例如，為了 檢測支承元件所支承的車輛或起重機的重心位置，只有垂向力即支承力與之相關(guān)。上述應(yīng)用中，在單個支承元件處出現(xiàn)的水平力最高可以達(dá)到被測垂向力的20%。測壓元件與地面上支腳端部的距離越遠(yuǎn)，由于被加載零件內(nèi)彎矩的路徑原因，彎 矩增加就越多。因此，合理的做法是將測壓元件盡可能接近支承元件的地面一側(cè)布置。在 此區(qū)域內(nèi)支承元件的污染特別嚴(yán)重，可能會損壞敏感測量儀表。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于支承元件的耐用的測壓元件，所述測壓元件提供對 應(yīng)于支承元件所承受載荷(即支承力)的信號。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種針對支承元件(a)的測壓元件，用于檢測所述支承元件為支承載荷而傳遞的 支承力，其特征為，所述測壓元件構(gòu)成所述支承元件的一個測量部分(P)，所述測量部分在支承力和橫向力作用下 以偏離支承力的方向發(fā)生變形；且包括布置在所述測量部分的多個薄膜電阻器(hi、h2、h3、h4)，所述薄膜電阻器呈 現(xiàn)出一個正比于應(yīng)變的反應(yīng)和多個正比于橫向力且相互間抵消的反應(yīng)。本發(fā)明的優(yōu)選配置在權(quán)利要求子項中示出。
根據(jù)本發(fā)明，測壓元件的設(shè)計使之能夠很容易地安裝到支腳的端部，受橫向力和 力矩影響很小，且能夠耐受潮濕和灰塵等環(huán)境影響。另外，由于本文所述的應(yīng)用是涉及安全性方面的應(yīng)用，還有重要的要求，即測壓元 件的測量特性應(yīng)在較長的時間段內(nèi)保持恒定，且須滿足功能安全性的最低要求。此外，配有支腳的車輛通常在室外作業(yè)。在此情況下，例如，車輛的一側(cè)可能處于 陽光照射下，因此該側(cè)的支腳會變熱，而另一側(cè)的支腳則處于陰影中。因此可能出現(xiàn)相當(dāng)大 的溫差，由此使測壓元件所測得的電阻值(即作用力)發(fā)生歪曲 。有利的是，測壓元件可以裝載附加的熱敏電阻器，可直接對測壓元件的溫度進(jìn)行 補償。當(dāng)帶有載荷測量電阻器的傳感器還帶有與之緊鄰的測溫電阻器時，這一方式特別有 禾U。有多種不同的車輛帶有需要使用支腳的附件。由此，在支腳處還預(yù)期存在并可檢測到 不同的最大垂向載荷。為了能夠通過相應(yīng)的標(biāo)稱載荷范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，測壓元件的設(shè) 計應(yīng)使之在可能條件下被調(diào)整為發(fā)送在整個標(biāo)稱載荷范圍內(nèi)均勻變化的信號。為避免貯存分別針對其相應(yīng)標(biāo)稱載荷范圍而調(diào)整的多個不同的傳感器，有利的方 式是采用同一個標(biāo)準(zhǔn)傳感器，且測壓元件的變形件的幾何形狀按照測量任務(wù)即標(biāo)稱載荷 范圍進(jìn)行調(diào)整。這種通過變形件配置進(jìn)行的調(diào)整可以被精確地計算和加工，因為優(yōu)選方式 是對旋轉(zhuǎn)件的直徑(圓柱直徑)進(jìn)行調(diào)整，這種調(diào)整可以很容易且精確地實施。


下文將參照示意圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明，其中圖1以正視圖和側(cè)視圖示出了由支承元件托舉的車載起重機；圖2示意性示出了出現(xiàn)的變形；圖3示出了作為支承元件一個測量部分的變形件；圖4示出了一個需焊接在圖3的變形件上的承載件，包括其上的薄膜電阻器；圖5示出了一個薄膜電阻器的示例電路；圖6為示出變形件細(xì)節(jié)的剖視圖；圖7為用于解釋單個薄膜電阻器的應(yīng)變與信號間聯(lián)系的圖；圖8示出了另一個薄膜電阻器的示例回路；圖9示出了再一個薄膜電阻器的示例回路；圖10為包含彎曲線的變形件的示意剖視圖；圖11是用于解釋變形件按照測量任務(wù)調(diào)整的示意圖。
具體實施例方式根據(jù)圖3，測壓元件包括一個鋼制的防銹的變形件e，其由待測力導(dǎo)致的應(yīng)變并不 通過粘在此件上的應(yīng)變儀檢測，而是借助于采用薄膜技術(shù)制造的應(yīng)變敏感電阻器。這樣具 有長期穩(wěn)定性較高的優(yōu)勢，因為以薄膜技術(shù)制造的薄膜電阻器并非用膠粘在承載件上，而 是作為原子復(fù)合物以粘性噴濺方式附著到承載件上。根據(jù)圖4a、4b，薄膜電阻器配備在最初與測壓元件分離的扁平圓柱體承載件f的 端面上，測壓元件的材料與變形件的材料一致，或至少表現(xiàn)出類似的熱膨脹性質(zhì)。在測壓元 件的加工過程中，借助于焊接激光器或電子束焊接，承載件與變形件在其外緣g處黏附結(jié)合在一起。承載件上薄膜電阻器h的數(shù)量至少為2，在所示實例中為4。它們相互連接，構(gòu)成一個惠斯通電橋i。為了獲得更高的功能安全性，在承載件上還可以提供2組或更多采用類似互連方 式的惠斯通電橋，其信號將被相互獨立地評價，并在一個電子比較器電路中進(jìn)行評估。此外，承載件上直接提供有對輸出信號i零點和輸出信號i界限的熱效應(yīng)均可進(jìn) 行補償?shù)臒嶙冸娮杵?。所述電阻器的位置非常接近薄膜電阻器的位置，可以在溫度變化?況下實現(xiàn)快速的補償。承載件在變形件內(nèi)的位置選擇，使得當(dāng)測壓元件被前述水平力d及由此產(chǎn)生的力 矩加載時不會出現(xiàn)干擾性的測量效應(yīng)。其實現(xiàn)方式為同樣被傳遞進(jìn)入承載件的應(yīng)變以及 由此在薄膜電阻器內(nèi)產(chǎn)生的電阻變化因為電橋電路內(nèi)的電連接而被抵消。需測量的效應(yīng)僅 在測壓元件有垂向載荷的情況下出現(xiàn)。此情況下，優(yōu)選的變形件實施方式的基本形式是一個盤形薄膜k，其中心呈現(xiàn)出一 個圓柱形孔，孔內(nèi)配有圓柱體承載件f。薄膜的外緣變形為一個空心圓柱1，圓柱的外端優(yōu) 選帶有螺紋m，可固定在支承元件上。薄膜的內(nèi)緣則被制成厚壁長空心圓柱n，其端部優(yōu)選 以半球形增厚體ο終止，以實現(xiàn)支腳的安裝，由此可以形成與地面以任何角位置連接，這在 地面不平的情況下是必要的。如圖6所示，垂向作用力導(dǎo)致薄膜外緣ρ相對內(nèi)緣q降低，形成以旋轉(zhuǎn)對稱方式在 整個薄膜直徑上等間距分布的徑向和切向應(yīng)變。這些應(yīng)變同樣在承載件f內(nèi)傳播，并在此 形成相應(yīng)的徑向和切向應(yīng)變，繼而通過薄膜電阻器h轉(zhuǎn)化為電信號變化t。四個薄膜電阻器中的兩個(見圖4b)hl和h2位于承載件f端面的外緣s附近，當(dāng) 垂向力施加時它們發(fā)生應(yīng)變，由此其電阻增大。另兩個薄膜電阻器h3和h4靠近承載件f 的中心，當(dāng)垂向力施加時它們會發(fā)生側(cè)傾，其電阻因此而減小。承載件內(nèi)的徑向應(yīng)變r和變形的基本過程如圖7所示。圖5中示出旨在構(gòu)成惠斯通電橋的電阻器互連方式。通過支腳引至測壓元件的水平力將導(dǎo)致薄膜和承載件的變形。與在垂向力施加時 出現(xiàn)的應(yīng)變相對照，兩個外部薄膜電阻器的布置位置以及兩個內(nèi)部薄膜電阻器的布置位置 此時會出現(xiàn)相反的應(yīng)變。圖4b中示出了薄膜電阻器在承載件上的一種示例布置方式。這些分別大小相等 但方向相反的應(yīng)變變化可以實現(xiàn)惠斯通電橋的輸出端電壓t不發(fā)生變化，因此不會有任何 因水平力及其產(chǎn)生的力矩所造成的測量誤差。本例中，惠斯通電橋中薄膜電阻器的電阻變 化方向在圖9中以符號“ + ”和“-”大致示出。當(dāng)以垂向載荷加載時，惠斯通電橋中薄膜電 阻器的電阻變化方向在圖8中以符號“ + ”和“-”大致示出。根據(jù)水平力的方向，薄膜電阻器對hl、h2和h3、h4中會形成或多或少的顯著變化。 然而，在存在干擾性水平力的情況下，它們總是會指向相反方向，由此電橋輸出信號t不會 發(fā)生變化。圖10示出了一個其內(nèi)焊接有承載件f的變形件e的示意剖視圖。承載件f代表一個傳感器元件，該傳感器元件也可以是完全可隨時用于在焊縫ν處焊接至變形件e內(nèi)以 形成連接的元件。
彎曲線B以夸張的方式示出了當(dāng)變形體e被加載時承載件f的變形。置于彎曲線 B峰頂處的電阻器hi用于測量承載件f的轉(zhuǎn)動，而置于彎曲線B谷底處的電阻器h3則用以 測量側(cè)傾。變形件e的整體載荷可由這些變形值得出。如果要將構(gòu)造恒久一致的傳感器元件用作針對不同標(biāo)稱載荷的測壓元件的標(biāo)準(zhǔn) 傳感器元件，變形件e的尺寸可以借助于圖11所示示例通過改變壁厚W和杠桿臂X而Z保 持不變的方式加以確定，以使標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件的測量范圍得以充分利用。標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件 測量范圍的充分利用是要使傳感器元件在變形件被標(biāo)稱載荷加載時輸出其最大信號。由 此，通過在相應(yīng)測壓元件的整個工作載荷范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)匾?guī)定W和X，可以獲得至少接近最高 分辨率的信號。通過僅使用一個構(gòu)造恒久一致的標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件(也可儲備作為可隨時用于已建立連接的組件)，并針對測壓元件的相應(yīng)測量任務(wù)進(jìn)行純機械調(diào)整，可以以快速且成本不 高地對所設(shè)置的標(biāo)稱載荷作出反應(yīng)。此外，標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件在其應(yīng)用范圍(即變形程度總保持恒定；變形僅在不同載 荷下發(fā)生)內(nèi)的整體表現(xiàn)已為人們所熟知，因此不需要考慮更換傳感器時預(yù)期會出現(xiàn)的更 多的物理干擾。按照所述的方式，標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件可以在1 20的標(biāo)稱載荷范圍條件下使用，即 可以提供標(biāo)稱載荷從300kN到最高6000kN的測壓元件。這里所述的針對支承元件的測壓元件，用于檢測支承載荷的支承元件所傳遞的支 承力。所述測壓元件包括一個測量部分或變形件，該測量部分或變形件在支承力和橫向力 作用下會以偏離支承力的某個方向發(fā)生變形，形成支承元件的一部分且性質(zhì)相同。布置在 測量部分的多個薄膜電阻器會呈現(xiàn)出一個正比于應(yīng)變的反應(yīng)和多個正比于橫向力、相互間 抵消的反應(yīng)，薄膜電阻器以固定方式連接至測量部分。各個反應(yīng)可通過各薄膜電阻器在測 量部分的適當(dāng)布置或?qū)λ鶞y得信號的充分處理加以抵消。對于使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件時針對不同測量任務(wù)和標(biāo)稱載荷進(jìn)行的測壓元件調(diào)整 已有說明。
權(quán)利要求
一種針對支承元件(a)的測壓元件，用于檢測所述支承元件為支承載荷而傳遞的支承力，其特征為，所述測壓元件構(gòu)成所述支承元件的一個測量部分(p)，所述測量部分在支承力和橫向力作用下以偏離支承力的方向發(fā)生變形；且包括布置在所述測量部分的多個薄膜電阻器(h1、h2、h3、h4)，所述薄膜電阻器呈現(xiàn)出一個正比于應(yīng)變的反應(yīng)和多個正比于橫向力且相互間抵消的反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測壓元件，其特征為，所述薄膜電阻器被連接至一個評價單 元，所述評價單元對各個薄膜電阻器的電阻進(jìn)行檢測，并生成對應(yīng)于每一個薄膜電阻器阻 值變化的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測壓元件，其特征為，所述評價單元對分配為被測橫向力的 信號按照其符號進(jìn)行相互抵消處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的測壓元件，其特征為，所述薄膜電阻器在所述測 量部分上的布置使得在有橫向力和力矩加載的情況下其應(yīng)變分別成為方向相反的一對。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測壓元件，其特征為，所述薄膜電阻器在所述測量部分上的 布置使得在有橫向力和/或力矩加載的情況下其應(yīng)變分別成為方向相反而數(shù)值相等的每 一對。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的測壓元件，其特征為，在其上形成薄膜電阻器的 承載件(f)被布置在所述測量部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的測壓元件，其特征為，所述測量部分包含一個膜 狀的變形件(k)，其一側(cè)有一空心圓柱(1)在其薄膜外緣(p)處與之相鄰，其另一側(cè)有一空 心圓柱(e)或一實心圓柱在其薄膜內(nèi)緣(q)處與之相鄰。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測壓元件，其特征為，所述測量部分被設(shè)置在由抗腐蝕材料 制成的變形件(e)內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測壓元件，其特征為，已在一個端面上形成所述薄膜電阻器 (h)的承載件(f)通過焊接方式連接至所述變形件(e)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的測壓元件，其特征為，所述薄膜電阻器以多個 類似的惠斯通電橋(i)形式相互連接，電橋的輸出信號(t)被分別評價，并由電子比較器電 路進(jìn)行評估。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測壓元件，其特征為，所述薄膜電阻器在單片地施布于承載 件(f)上的一個層中形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的測壓元件，其特征為，配有施布于所述承載件 (f)上、對輸出信號(t)的零點及整個范圍上的熱效應(yīng)進(jìn)行補償?shù)臒崦綦娮杵鳌?br> 13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的測壓元件，其特征為，所述承載件(f)包含其 上所施布的薄膜電阻器(hl、h2、h3、h4)，形成一個標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件，可隨時用于連接被焊接 至變形件內(nèi)的焊接法蘭(g)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的測壓元件，其特征為，所述標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件的承載件(f)上 載有熱敏電阻器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的測壓元件，其特征為，所述變形件被設(shè)計使之，在預(yù)設(shè) 標(biāo)稱載荷下的變形將使所述標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件發(fā)送一個幅值為預(yù)定值的信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的測壓元件，其特征為，構(gòu)造相同的標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件可以在 尺寸不同的變形件上使用，以提供具有不同標(biāo)稱載荷范圍的測壓元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的測壓元件，其特征為，兩個與膜狀變形件相鄰的圓柱 的直徑(X)或壁厚(W)由變形件的設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一項所述的測壓元件，其特征為，適用于300至6000kN標(biāo) 稱載荷的測壓元件可由采用經(jīng)調(diào)整變形件、具有相同構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)傳感器元件提供。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的測壓元件，其特征為，所述測壓元件被調(diào)整安裝 在移動吊車、起重裝置、鉆探車輛或自驅(qū)式炮架的支承元件內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的測壓元件，其特征為，所述薄膜電阻器以應(yīng)變 儀的形式、以粘合方式附著在所述測量部分上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于感知支承元件中支承力的測壓元件，用于檢測支承元件為支承載荷而傳遞的支承力。所述測壓元件包括一個測量部分，所述測量部分在支承力和橫向力作用下會以偏離支承力的方向發(fā)生變形，形成支承元件的一部分且性質(zhì)相同。布置在測量部分的多個薄膜電阻器會呈現(xiàn)出一個正比于應(yīng)變的反應(yīng)和多個正比于橫向力、相互間抵消的反應(yīng)，薄膜電阻器以固定方式連接至測量部分。多個反應(yīng)可通過各薄膜電阻器在測量部分的適當(dāng)布置或?qū)λ鶞y得信號的充分處理加以抵消。
文檔編號G01L1/22GK101858800SQ20101013838
公開日2010年10月13日 申請日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者克勞斯·哈利, 奧利弗·約斯特, 斯蒂芬·阿門特, 約希姆·霍斯·范·沃爾夫拉姆斯多爾夫 申請人:泰科思有限責(zé)任公司