CN113932905A - 力传感器的校准机构的配置方法及其力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力传感器的校准机构的配置方法，包括将校准机构的杠杆的一端耦接到力传感器的加载端上；在所述杠杆空载时，将所述杠杆的重心位置配置在和通过固定端的支点机构的支点中心的水平线处在一空载阈值范围内；在所述杠杆的另一端加载校准砝码时，将所述杠杆和所述校准砝码构成的重心位置配置在和通过所述固定端的支点机构的支点中心的水平线处在一满载阈值范围内。本发明还公开了一种利用上述配置方法配置的力传感器。通过控制力传感器中杠杆的位置和支点位置大致在同一水平线上，减少力传感器或者內校机构的倾斜带来的校准误差，保持力传感器的精度。

Description

力传感器的校准机构的配置方法及其力传感器

技术领域

本发明涉及一种力传感器的校准机构的配置方法及其力传感器。

背景技术

在称重领域安装有力传感器的秤或称重装置在长时间或高频率的使用下，秤或称重装置的精度会降低，为了维持设备的精度，需要周期性地对秤或称重装置进行校准。

目前称重领域中的校准方式有内部校准和外部校准两种。其中外部校准一般通过对秤或称重装置加载从几公斤到上百公斤的外部砝码来实现校准。外部校准的方式因为需要不断加载卸载外部砝码，所以操作非常不便并且校准成本很高。

内部校准目前主要应用于电磁力平衡传感器中，得益于电磁力平衡重力原理，內校机构能够集成到传感器中，从而实现电子天平的高精度。

因为电磁力补偿传感器(MFRLC)和应变片传感器(SGLC)的测量力的原理不同，所以相比于电磁力补偿传感器所采用的內校机构，应变片传感器必须采用完全不同的內校机构。在电磁力补偿传感器中，物体的重量是通过电磁力的平衡来进行测量的。电磁力补偿传感器也称为电磁力复位传感器。待称量物体的重量直接或者利用一个或多个力传导杠杆传递到电磁传感器的电磁机构上。该电磁机构将产生电磁力与被称量物体的重量相平衡。此时，产生这个平衡力的电流会被电磁力传感器的处理器处理，并将相应的结果显示在显示面板上。其中按照电磁理论，线圈电流的大小和对应生成的力之间构成比例关系，所以通过测量线圈上的电流能够得到此时称量物在力接受端上施加的力的大小。

在结构上，应变片传感器中具有固定有多个应变片的金属部件。该部件通常由铝、合金或不锈钢构成，通常非常坚固但具备一定形变能力。具备弹性形变能力的这个部件被通常被称作“弹性体”。当力施加到传感器上时，弹性体发生形变，进而导致应变片的丝栅的受力，进而阻值发生变化。此时应变片中电阻大小的改变利用电压的形式测量出来。电压数值上的变化与施加到传感器上的力之间存在比例关系，因此通过传感器输出的计算可以得到传感器上受到的力的大小。

总之，上述两种不同的方式测量传感器上受到的力的大小的区别在于传感器受力时的状态。此时在电磁力平衡传感器中，传感器中的形变被回复，而在应变片传感器中，传感器中的形变始终存在。

现有技术中也尝试将內校机构集成到应变片力传感器中，比如美国专利US06414252B1中公开了用于秤的校准系统，其中通过在应变片式传感器中增设包括內校砝码和杠杆的內校机构，在需要校准时，加载內校机构，在不需要校准时，卸载內校机构，便捷地实现对应变片传感器的校准，从而保持传感器的精度不会劣化。

但是美国专利US06414252B1中公开的內校机构在实际使用中产生的內校误差很大，甚至能够达到百分之一，远远超出标准认证的要求。所以这种內校机构还无法有效地应用于应变片力传感器。

现有技术中也有将內校机构直接制作在力传感器中，比如德国专利DE20022494U1中公开的传感器中，在弹性体中，设计了专用于加载內校砝码的结构，这种內校机构加工和安装都非常的复杂，而且适用面窄，并不适用其他结构的力传感器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中力传感器的內校机构误差大从而导致力传感器精度低、不可靠的问题，提供了一种力传感器的校准机构的配置方法及其力传感器，能够有效地保持力传感器的精度。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

提供了一种力传感器的校准机构的配置方法，其包括，将校准机构的杠杆的一端耦接到力传感器的加载端；

在所述杠杆空载时，将所述杠杆的重心位置配置在和通过力传感器的固定端的支点机构的支点中心的水平线处在一空载阈值范围内；在所述杠杆的另一端加载校准砝码时，将所述杠杆和所述校准砝码构成的重心位置配置在和通过所述固定端的支点机构的支点中心的水平线处在一满载阈值范围内。

通过配置并控制力传感器中杠杆的位置和支点位置大致在同一水平线上，从而减少力传感器倾斜或者內校机构的倾斜带来的校准误差.

优选地，所述空载阈值和所述满载阈值均在－2°到+2°之间。本方案中夹角在－2°到+2°之间时，校准的误差比较小，减少对称重精度的影响。

更进一步地，配置所述杠杆的重心位置或者所述杠杆和所述校准砝码构成的重心位置靠近所述支点中心，远离所述杠杆加载砝码的一端。

本方案在所述校准机构或者杠杆的重心位置与支点位置的连线和水平线的夹角在一定角度范围内的同时，将所述杠杆的重心位置配置到靠近支点位置来降低內校机构的倾斜带来的校准误差。

更进一步地，在将校准机构的杠杆的一端耦接到力传感器的加载端时，将杠杆的一段耦合到加载端的支点结构上。

还提供了一种力传感器，包括一弹性体，所述弹性体具有固定端和用于加载待测物体重量的加载端，所述固定端和加载端之间设置一中间部分，所述中间部分上设置有将弹性体的加载端上加载的重量转化为称重信号的换能机构；所述力传感器上还包括有能够在所述加载端上施加校准力的校准机构；所述校准机构包括校准砝码和杠杆，所述杠杆的一端用于加载所述校准砝码，所述杠杆的另一端连接到所述固定端的支点机构；

所述校准机构通过如上所述的配置方法配置到所述力传感器中。

本方案中的校准机构通过在加载校准砝码时，也就是內校状态下，以及卸载校准砝码后，也就是正常称重工作下，配置包括杠杆和內校砝码的校准机构整体的重心位置和固定端的支点位置都大致在同一水平线上，从而在未加载校准砝码时，减少零点受倾斜的影响，在加载校准砝码时，减少內校机构的倾斜带来的校准误差，进而保持力传感器的精度。

本方案中所述支点机构能够支撑杠杆并使得杠杆能够相对于固定端做枢轴运动。

进一步地，所述力传感器还包括一加载机构，所述加载机构可以将校准砝码加载在杠杆的一端或者从杠杆上卸载校准砝码。

进一步地，所述杠杆还包括重心调整装置，调整杠杆或者校准结构的重心位置。

更进一步地，所述重心调整装置包括设置在所述杠杆上的至少一个配重加载部。

本方案中在杠杆上增加配重来对杠杆，设置內校机构的重心位置进行微调，从而能够将校准机构的重心位置和支点机构的支点中心位置调整到同一个水平线上。

进一步地，所述力传感器还包括一倾角传感器，检测力传感器相对于水平面的倾角。所述力传感器基于所述倾角传感器检测的倾角，补偿所述力传感器输出的校准称重值。

本方案中利用力传感器的倾斜角度，进一步修正补偿内部校准的校准值。

进一步地，所述换能机构包括应变片传感器、电容压力传感器或者光学传感器。

本方案中的换能机构都通过感知弹性体的变形来测量受力，所以所有基于变形测量原理的换能机构都适用于本发明。

在一个称重设备中，包括至少一个如上所述的力传感器，在所述力传感器的內校机构加载校准砝码时，获取校准称重值和倾斜角度值；

通过所述校准称重值和倾斜角度值计算一校准补偿值，并依据所述校准补偿值修正所述称重设备输出的校准值。

上述方案的积极进步效果在于：

所述校准机构的配置方法通过配置并控制力传感器中杠杆的位置和支点位置大致在同一水平线上，从而减少力传感器倾斜或者內校机构的倾斜带来的校准误差，进而保持力传感器的精度。

在力传感器中还通过角度传感器检测力传感器的倾角，并利用倾角计算和补偿校准值，进一步保持力传感器的精度。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的力传感器的示意图。

图2为图1中的力传感器的杠杆的剖面示意图。

图3为图2中的力传感器的杠杆加载砝码时的剖面示意图。

图4为应用图1的力传感器的称重设备的剖面示意图。

图5为本发明的另一个实施例的力传感器的示意图。

图6为图5中的力传感器的杠杆的剖面示意图。

附图标记说明

100 力传感器

101 弹性体

102 加载端

1021 加载支点

103 固定端

1031 支点

104 平行梁

105 加载机构

106 校准砝码

1071 杠杆

10711 配重加载孔

108 配重

A 底盘

B 托盘

G₀ 杠杆未加载状态下的重心位置

G₁ 杠杆加载校准砝码状态下的重心位置

H 水平线

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本发明的內校机构的配置方法在力传感器加/卸载校准砝码过程中，配置并控制內校机构的杠杆的位置和支点位置大致在同一水平线上，从而减少力传感器倾斜或者內校机构的倾斜带来的校准误差，而且还利用角度传感器检测力传感器的倾角进一步补偿校准，进而保持力传感器的精度。

下面通过如下所述的实施例，举例说明本发明的实现方式。

图1-4所示实施例中，称重设备中的力传感器100的弹性体101的两端中固定端103固定在底盘A上，加载端102上设置有托盘B。弹性体101两端通过相互平行的两个平行梁104连接在一起。一组应变片设置于平行梁104上。

內校机构的杠杆1071设置于平行梁104的两侧，杠杆1071的一端设置在固定端103两侧，并将杠杆1071耦合连接到固定端103中的支点1031，杠杆1071围绕支点1031旋转运动。杠杆1071在力传感器需要校准时通过加载支点1021连接到加载端102。

杠杆1071延伸超过加载端102的端部设置有类似V型的砝码支架。校准砝码106能够放置在砝码支架中，并且V型砝码支架能够防止校准砝码在支架上的滑动和晃动。

本实施例中加载机构105固定在底盘A上，并且设置在加载端102的一侧，并如图2和图3所示通过升降运动将校准砝码106加载在砝码支架上或者从砝码支架上卸载校准砝码106。

配置本实施例的力传感器的內校机构时，首先确认內校机构的杠杆1071已经通过加载支点1021耦接到力传感器的加载端102上。

此后，在杠杆1071空载时，将杠杆1071的重心位置G₀配置在和通过支点1031中心的水平线H处在预设的空载阈值范围内。在杠杆1071通过加载机构105加载校准砝码106后，将杠杆1071和校准砝码106组合后的重心位置G₁配置在和通过支点1031的中心的水平线处在预设满载阈值范围内。

本实施例中，如图3所示，在加载机构105将校准砝码106加载到杠杆1071之后，此时加载有校准砝码106的杠杆的重心位置是G₁。水平线H是通过支点1031的水平线，连接杠杆的重心位置G₁和支点1031的直线在水平线H下方，并且与水平线H之间形成的夹角为－2°。

在另一种配置中，连接杠杆的重心位置G₁和支点1031的直线在水平线上方，并且与水平线之间形成的夹角为+2°。在另一个变型例中，杠杆的重心位置G₁和支点1031在水平线上，也就是说，连接杠杆的重心位置G₁和支点1031的直线和力传感器100所在环境中水平线重合。

在这些配置中，将连接杠杆的重心位置G₁和支点1031的直线与水平线之间形成的夹角控制在水平线下的－2°到水平线上的+2°之间。此时杠杆倾斜带来的校准误差可控，降低了对称重精度的影响。

本实施例的力传感器进行內校机构的配置中，在加载机构105将校准砝码106加载到杠杆1071之前，或者将校准砝码从杠杆1071上卸载后，杠杆自身的重心位置G₀和支点1031在同一水平线上，也就是说，连接杠杆的重心位置G₀和支点1031的直线和力传感器100所在环境中水平线H重合。

在另一种配置中，连接杠杆的重心位置G₀和支点1031的直线在水平线上方，并且与水平线之间形成的夹角为+2°。在另一个变型例中，连接杠杆的重心位置G₀和支点1031的直线在水平线下方，并且与水平线之间形成的夹角为－2°。

在如上所述的杠杆空载时的配置中，将连接杠杆的重心位置G₀和支点1031的直线与水平线之间形成的夹角控制在水平线下的－2°到水平线上的+2°之间。进一步提高杠杆倾斜带来的校准误差的可控性，降低了对称重精度的影响。

在另一个实施例中，如图5和图6所示，杠杆1071上还设置有配重加载孔10711。如图5所示，配重108插入配重加载孔10711中，加载在杠杆1071上，从而进一步微调节杠杆自身的重心位置，并尽可能使得重心位置和支点1031在同一水平线上。而且本实施例中设置有2个配重加载孔10711，能够进一步加载其他重量的配重来进一步微调杠杆的重心位置。

在又一个实施例中，在杠杆的不同位置上分别配置有配重加载部，每个中加载部分具有至少一个配重加载孔或配重加载位置，本实施例中2个配重加载孔组成配重加载部的结构可以更加简化，比如只有一个配重加载位置或加载通孔等。

本实施例的力传感器100还设置有倾角传感器(图中未显示)，倾角传感器设置于力传感器100的固定端103上，检测力传感器100相对于水平面的倾斜角度。

本实施例中力传感器100在执行校准时，加载校准砝码到V型砝码支架，利用杠杆原理，此时在加载端102施加倍数于校准砝码重力的加载力，应变片将加载力转化为校准称重值的电信号。

然后，本实施例中利用校准称重值和倾角传感器检测的倾斜角度值计算校准补偿值，并通过校准补偿值进一步修正校准称重值。

此后，利用校准称重值校准力传感器100的称重输出，保持力传感器100的精度。

在另一个实施例的平台秤中，包括4个上述实施例的力传感器100，平台秤向各个力传感器100发出校准指令后，各个力传感器100分别执行內校操作，比如加载內校砝码的操作并输出校准称重值，然后卸载內校砝码。在执行內校操作的过程中，同时检测倾斜角度值。

平台秤接收到各个力传感器100校准称重值和倾斜角度值，平台秤的处理单元完成校准称重值的计算和修正，并进而对平台秤的称重输出进行校准。

Claims (11)

1.一种力传感器的校准机构的配置方法，其包括，将校准机构的杠杆的一端耦接到力传感器的加载端上；

在所述杠杆空载时，将所述杠杆的重心位置配置在和通过力传感器的固定端的支点机构的支点中心的水平线处在一空载阈值范围内；在所述杠杆的另一端加载校准砝码时，将所述杠杆和所述校准砝码构成的重心位置配置在和通过所述固定端的支点机构的支点中心的水平线处在一满载阈值范围内。

2.如权利要求1中所述的配置方法，其特征在于，所述空载阈值和所述满载阈值均在－2°到+2°之间。

3.如权利要求1中所述的配置方法，其特征在于，配置所述杠杆的重心位置或者所述杠杆和所述校准砝码构成的重心位置靠近所述支点中心，远离所述杠杆加载砝码的一端。

4.如权利要求1中所述的配置方法，其特征在于，将校准机构的杠杆的一端耦接到力传感器的加载端的支点结构上。

5.一种力传感器，包括一弹性体，所述弹性体具有固定端和用于加载待测物体重量的加载端，所述固定端和加载端之间设置一中间部分，所述中间部分上设置有将弹性体的加载端上加载的重量转化为称重信号的换能机构；

所述力传感器上还包括有能够在所述加载端上施加校准力的校准机构；所述校准机构包括校准砝码和杠杆，所述杠杆的一端用于加载所述校准砝码，所述杠杆的另一端连接到所述固定端的支点机构；

所述校准机构通过如权利要求1-4中任一项所述的方法配置到所述力传感器中。

6.如权利要求5所述的力传感器，其特征在于，所述校准机构的杠杆还包括重心调整装置，所述重心调整装置调整所述校准结构的重心位置。

7.如权利要求6所述的力传感器，其特征在于，所述重心调整装置包括设置在所述杠杆上的至少一个配重加载部。

8.如权利要求5所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括一加载机构，所述加载机构可以将所述校准砝码加载在杠杆的一端或者从杠杆上卸载所述校准砝码。

9.如权利要求5所述的力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括一倾角传感器，检测力传感器相对于水平面的倾角；

所述力传感器基于所述倾角传感器检测的倾角，补偿所述力传感器输出的校准称重值。

10.如权利要求5所述的力传感器，其特征在于，所述换能机构包括应变片传感器、电容压力传感器或者光学传感器。

11.一种称重设备，其特征在于，包括至少一个如权利要求5-10中任一项所述的力传感器，在所述力传感器的內校机构加载校准砝码时，获取校准称重值和倾斜角度值；

通过所述校准称重值和倾斜角度值计算一校准补偿值，并依据所述校准补偿值修正所述称重设备输出的校准值。

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