專利名稱：用于測量較小的力和位移的測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的目的是用于測量較小的力和位移的測量裝置，在本裝置的主體內(nèi)具有包含光源和感受位置的檢測器的檢測器裝置，以及包含由要被測量的力加載的彈簧裝置和安裝到該彈簧裝置上的遮光裝置的傳感裝置，該遮光裝置在加載到彈簧裝置上的力的影響下在檢測器裝置的光源的光束中運動，該光束指向檢測器的工作表面。
專利公開文本FI963612中公開了一種用于測量在液相和氣相交界處形成的薄膜的表面壓力的裝置。在由這個公開文本所知的裝置中，一感受位置的檢測器和光源一起被用于檢測由要被測量的小的力引起的傳感器的位移。
然而，在公知的裝置中，在較寬的溫度范圍內(nèi)補償由溫度造成的誤差很難并很繁瑣。雖然一部分誤差可以用標定步驟和/或例如在裝置的控制電路中利用適宜的補償方案來校正，這些標定及補償步驟非常繁瑣并且費力。其他公知的裝置，如普通的微量天平，部件昂貴，其占用空間較大，而不能被當作便攜測量裝置考慮。
本發(fā)明的目的是提供一種適用于測量例如表面張力及表面壓力的較小的力和較小的位移的裝置，其中環(huán)境溫度對測量結果的影響非常小。另外，本發(fā)明的目的是提供一種具有較小物理尺寸的測量裝置，其為便攜的并也適用于實驗室外面的現(xiàn)場作業(yè)。
根據(jù)本發(fā)明該裝置被形成為檢測器裝置和傳感裝置布置在普通的夾狀裝置中，而夾狀裝置布置在裝置的主體內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，檢測器裝置和傳感裝置布置在由具有較小熱膨脹系數(shù)材料制成的普通夾狀裝置內(nèi)，材料優(yōu)選地為膠木，其他優(yōu)選地替換物例如為陶瓷材料。在本實施例中檢測器裝置和傳感裝置的相對的彼此位置在溫度變化的同時保持不變。夾狀裝置優(yōu)選地為U形，檢測器裝置的光源和感受位置的檢測器彼此相對地定位在所述U形夾狀裝置的不同的腿部上，而傳感裝置的遮光裝置至少局部位于兩個腿部之間的空間內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，檢測器裝置包括優(yōu)選地為發(fā)光二極管的光源以及感受位置的檢測器。
感受位置的檢測器為公知的類型，其包括硅基片和其上形成的層結構。其是活性P層的最外層為電阻性的。落到活性P層上的入射光被轉換成與光能成正比的電荷。該電荷通過P層被驅動到連接到該層的電極。由于該層的電阻保持不變，就在電極處獲得光電流，該電流與入射光點和電極之間的距離成反比。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實施例中，在光源和感受位置的檢測器之間，優(yōu)選地靠近光源布置有光學裝置，優(yōu)選地為透鏡，以用于將光源的光束引向光敏檢測器的工作區(qū)域。從光源發(fā)出的光可以為在可見或紅外光譜內(nèi)的光。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，從光源發(fā)出的光的強度被調制。
根據(jù)本發(fā)明，將施加到其上的力轉換為線性位移的傳感裝置的彈簧裝置優(yōu)選地為由具有較小熱膨脹系數(shù)的材料制成的片簧，該材料例如優(yōu)選地為石英玻璃，其他優(yōu)選地替換物例如為陶瓷材料。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，傳感裝置的彈簧裝置為大致橫臥的U形形狀，因此通過其腿部的虛構平面是垂直的，且其一個腿部的端部安裝到所述夾狀裝置上，而另一腿部的端部優(yōu)選地布置有一平面的遮光裝置，遮光裝置具有用于將要被測量的力與彈簧裝置相關聯(lián)的裝置。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，布置到彈簧裝置上的遮光裝置被布置在光源和檢測器之間，基本垂直于檢測器裝置的光源的光束，光束指向光敏檢測器。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中遮光裝置具有如下形狀，即，其伸向光束的邊緣是直的并且優(yōu)選地垂直于所施加的力的方向，至少是在光束以內(nèi)的部分是這樣的。當遮光裝置在要被測量的施加于彈簧裝置的力的影響下在光束內(nèi)移動時，由光源發(fā)出的一部分光射到傳感裝置的光敏檢測器的工作表面上。
在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，平面的遮光裝置上布置一槽或開口，一部分指向檢測器的工作表面的光源的光束通過它射到檢測器上。槽優(yōu)選地布置成其橫跨當遮光裝置在要被測量的力影響下在所述光束內(nèi)運動時的運動方向。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，光學裝置在具有槽的遮光裝置和檢測器之間被布置成這些光學裝置在檢測器的工作表面上形成槽的影像。在優(yōu)選實施例中，這些光學裝置包括反射鏡，在該優(yōu)選實施例中檢測器放置在例如U形夾狀裝置的水平部分上，或甚至布置在與光源相同的腿部上。
在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，其內(nèi)布置有檢測器裝置和傳感裝置的夾狀裝置通過適宜的懸掛裝置被安裝在裝置的主體上，該懸掛裝置使該夾狀裝置位于使傳感裝置的彈簧裝置變形的力基本垂直于彈簧裝置并在穿過彈簧裝置的垂直平面內(nèi)的位置處。在本優(yōu)選實施例中，可以避免彈簧裝置的橫向運動。
在本發(fā)明的另一實施例中，本裝置包括與懸掛裝置相連的裝置，以用于檢測夾狀裝置的位置。
根據(jù)本發(fā)明的裝置優(yōu)選地可以用于稱重小的質量，優(yōu)選地在0-200mg的測量范圍內(nèi)，其在該范圍內(nèi)可以獲得0.1μg的分辨率?？色@得的分辨率取決于所采用的感受位置的檢測器的分辨率。
參照附圖，描述本發(fā)明優(yōu)選實施例，其中

圖1以縱向側投影方式示意地示出根據(jù)本發(fā)明的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的裝置包括布置在主體1上的夾狀裝置8、包括該裝置的測量和控制電子線路的布置在夾狀裝置8上的一個或多個印刷電路板7、包括光源4和感受位置的檢測器5的檢測器裝置、包括彈簧裝置2和遮光裝置3的傳感裝置、以及電源裝置、用于控制并操縱測量裝置的裝置、以及圖中未示出的顯示器。主體1由剛性材料制成，優(yōu)選地，例如具有矩形橫截面并且其一段用相同材料的塞狀裝置緊緊封閉的鋁管。
檢測器裝置包括光源4和感受位置的檢測器5，其安裝在具有大致為U形橫截面的夾狀裝置8上，并由具有較小熱膨脹系數(shù)的材料制成，例如優(yōu)選地為膠木。夾狀裝置8被布置到主體1上，以便其腿部向下伸到工作位置內(nèi)。光源4布置在夾狀裝置8的一端內(nèi)表面上，而在夾狀裝置8的另一腿部的內(nèi)表面上布置感受位置的檢測器5以便檢測器5的工作表面在光源4的光束內(nèi)。夾狀裝置8的內(nèi)表面優(yōu)選地至少局部被處理成不反射光。
傳感裝置包括布置其上的彈簧裝置2和遮光裝置3，他們安裝在夾狀裝置8上。彈簧裝置由具有較小熱膨脹系數(shù)的雙向可變形材料制成，例如石英玻璃。彈簧裝置2的一端安裝到夾狀裝置8上且其另一自由端被安裝一優(yōu)選為平面的遮光裝置3，以便遮光裝置3在夾狀裝置8的各腿部之間伸出到向檢測器5傳播的光源4的光束處。平面的遮光裝置3在光源4的光束的區(qū)域具有水平槽6，并且該槽6布置在夾狀裝置8的各腿部之間，以便一部分光源4的光束可以穿過槽6到達檢測器5的工作表面。在本發(fā)明的另一替換實施例中，遮光裝置3沒有槽，而伸入光束中的遮光裝置3的一邊緣限制了射到檢測器5的工作表面上的光。
彈簧裝置2的橫截面優(yōu)選地具有橢圓形、矩形或其他相應方式的平面形狀，以便彈簧裝置2的橫截面的最小尺寸與施加到彈簧的力平行，并優(yōu)選地最大為垂直于所述尺寸的尺寸的一半，從而，彈簧裝置2的自由端的運動在預計的裝置工作位置內(nèi)基本垂直。
遠離夾狀裝置8方向的遮光裝置3的邊緣設置有將要被測量的力直接或通過適宜的連接裝置施加到其上的裝置。為此目的，主體具有開口，連接裝置可以通過所述開口連接到遮光裝置3上。在本發(fā)明優(yōu)選實施例中，傳感板由適宜的懸掛裝置從所述遮光裝置3的所述下邊緣懸掛，以用于測量表面張力。
當要被測量的力施加到遮光裝置3時，彈簧裝置2變形，而來自光源4的光通過遮光裝置3內(nèi)的槽6射到感受位置的檢測器5的工作表面上。通過槽6射到檢測器的工作表面的被照亮區(qū)域的位置根據(jù)彈簧裝置2的變形而變化，且由檢測器5給出的電信號也同時變化。檢測器5連接到用于將檢測器5的輸出電流變換成被測量的力的測量結果的測量裝置的測量和控制電子線路上。
由于本裝置電流消耗很小，其也可以為蓄電池或電池開動的，從而作用為電源的所述蓄電池或電池裝在本裝置的主體內(nèi)側。
權利要求
1.一種用于測量較小的力和位移的裝置，在所述裝置的主體(1)內(nèi)具有包含光源(4)和感受位置的檢測器(5)的檢測器裝置，以及包含由要被測量的力加載的彈簧裝置(2)和安裝到該彈簧裝置(2)上的遮光裝置(3)的傳感裝置，該遮光裝置在加載到彈簧裝置(2)上的力的影響下在檢測器裝置的光源(4)的光束中運動，該光束指向檢測器(5)的工作表面，其特征在于，檢測器裝置和傳感裝置布置在普通的夾狀裝置(8)內(nèi)，而夾狀裝置布置在所述裝置的主體(1)內(nèi)，所述夾狀裝置由具有較小的熱膨脹系數(shù)的材料制成。
2.如權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，傳感裝置的彈簧裝置(2)大致具有U形形狀，且其一個腿部的端部連接到夾狀裝置(8)上，而遮光裝置(3)安裝到彈簧裝置(2)的另一腿部的端部。
3.如權利要求3所述的裝置，其特征在于，傳感裝置的彈簧裝置(2)在所施加的力方向上的最大橫截面尺寸最大為垂直于該方向的橫截面的尺寸的一半。
4.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，傳感裝置的彈簧裝置(2)的橫截面為矩形。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，傳感裝置的彈簧裝置(2)的橫截面為橢圓形。
6.如權利要求1-5中某幾項所述的裝置，其特征在于，傳感裝置的彈簧裝置(2)為石英玻璃的。
7.如上述權利要求中任一項所述裝置，其特征在于，平面的遮光裝置(3)伸向從檢測器裝置的光源(4)指向檢測器的光束的邊緣為直的，并且垂直于所施加的力的方向。
8.如上述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，遮光裝置(3)具有垂直于遮光裝置(3)移動方向的槽(6)，光源(4)的一部分指向檢測器(5)的工作表面的光束穿過所述槽射到檢測器(5)上。
全文摘要
本發(fā)明的目的是一種用于測量較小力和位移的測量裝置,在所述裝置主體(1)內(nèi)具有包含光源(4)和感受位置的檢測器(5)的檢測器裝置,以及包含由要被測量的力加載的彈簧裝置(2)和安裝到該彈簧裝置(2)上的遮光裝置(3)的傳感裝置,該遮光裝置在加載到彈簧裝置(2)上的力的影響下在檢測器裝置的光源(4)的光束中運動,該光束指向檢測器(5)的工作表面。本發(fā)明特征在于,檢測器裝置和傳感裝置布置在普通的夾狀裝置(8)內(nèi),而夾狀裝置布置在所述裝置的主體(1)內(nèi)。
文檔編號G01D5/26GK1331796SQ99815034
公開日2002年1月16日 申請日期1999年12月17日 優(yōu)先權日1998年12月31日
發(fā)明者帕沃·金努南, 維科·蒙科南 申請人:基布羅恩公司