CN114199422A

CN114199422A - 负荷单元

Info

Publication number: CN114199422A
Application number: CN202111532324.6A
Authority: CN
Inventors: 理查德.韦德
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-04-09
Also published as: CN114199422B; EP3919881A1; CN111795763B; US20200326250A1; US11747226B2; US11156511B2; US20220011178A1; EP3722765B1; CN111795763A; EP3722765A1

Abstract

本发明题为“负荷单元”。本发明提供了一种用于测量推动和拉动两者中的力的负荷单元，负荷单元包括主体组件，主体组件具有主体元件，主体元件限定具有闭合端和相对开放端的测量室、位于测量室内并从闭合端朝开放端延伸的突起构件。负荷单元还包括：基部组件，基部组件固定在主体元件的开放端处，包括基部元件；以及感测管芯，感测管芯附接到基部元件并与突起构件对准，其中感测管芯的顶表面支撑惠斯通电桥电路，惠斯通电桥电路被配置为基于由突起构件施加在感测管芯上的力来生成信号。主体元件、突起构件和基部元件由共同材料一体地形成，共同材料的CTE接近感测管芯的CTE。

Description

负荷单元

本申请是申请日为2020年04月09日、申请号为202010277633.2、发明名称为“负荷单元”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开整体涉及力传感器，并且更具体地讲，涉及多范围力传感器计量装置。

背景技术

在许多工业领域中，必须准确测量力的量值。负荷单元中的力传感器可以用于测量力或压力。可以使用各种负荷单元设计，并且这些负荷单元设计可以依赖于部件的位移或施加到负荷单元中的应力敏感元件或部件的应力场来测量施加到传感器的力的存在和/或量值。

由于必须实现的大范围的压力，因此测量宽范围的压力或力尤其具有挑战性。具体是在高压加载场景中，力传感器（诸如负荷单元）可能被超过力传感器的预期操作范围的力（例如，过力情况）损坏。负荷单元是用于计量力或压力的关键装置。例如在美国专利公布号2015/0068315、美国专利公布号2018/0180494A1和欧洲专利号EP2199770中描述的常规压力传感器的特征在于压力测量能力的极其受限的范围，并且由于其技术设计而通常无法操作来测量推力和拉力两者。此外，合并到负荷单元中的梁挠曲型力传感器已成为标准负荷单元配置以适应宽测量范围。较新的硅管芯应力传感器在力范围方面具有限制并且通常无法测量拉力。

基于前述内容，需要负荷单元装置中的改善的多范围压力传感器，其能够有效且准确地检测宽范围的推力和拉力。

发明内容

本发明公开了一种用于测量推动应用和拉动应用两者中的力的负荷单元。负荷单元包括主体组件，该主体组件具有主体元件，该主体元件限定具有闭合端和相对开放端的测量室、位于测量室内并从闭合端朝开放端延伸的突起构件。负荷单元还包括基部组件，该基部组件固定在主体元件的开放端处，其中基部组件包括：基部元件；以及感测管芯，该感测管芯附接到基部元件并与突起构件对准，其中感测管芯的顶表面支撑惠斯通电桥电路，该惠斯通电桥电路被配置为至少部分地基于由突起构件施加在感测管芯上的力来生成信号。

根据实施方案，一种测量负荷单元中的力的方法包括：提供主体元件，该主体元件限定具有闭合端和相对开放端的测量室，其中主体元件包括位于测量室内并从闭合端朝开放端延伸的突起构件；以及基部组件，该基部组件固定在主体元件的开放端处，其中基部组件包括：基部元件；以及感测管芯，该感测管芯附接到基部元件并与突起构件对准，其中感测管芯的顶表面支撑惠斯通电桥电路，该惠斯通电桥电路被配置为至少部分地基于由突起构件施加在感测管芯上的力来生成信号；监测由突起构件施加在感测管芯上的力引起的感测管芯的表面应力；以及将表面应力和/或挠曲与相对于基部组件施加到主体元件的推力或拉力相关联。

优选地，测量室、主体元件、突起构件和基部元件由共同材料制成，并且这种材料的CTE接近感测管芯的CTE以最小化由于热失配而引起的补偿量。甚至更优选地，普通材料相对于感测管芯的CTE具有负CTE以最小化和/或消除由于热失配而需要的补偿。

附图说明

附图还示出了本实施方案，并且与具体实施方式一起用于解释所公开的实施方案，其中类似的附图标号在整个单独的视图中是指相同的或功能上类似的元件，并且并入说明书中并形成说明书的一部分。

图1是根据某些实施方案的包封力传感器的负荷单元的透视图；

图2是图1所示的具有力传感器的负荷单元的截面图；并且

图3是图1的包括力传感器的基部组件的示意性顶视图。

具体实施方式

首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术（无论是当前己知的还是尚不存在的技术）来实现所公开的***和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。以下简短术语定义应适用于整个申请文件：

术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释。短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中（重要的是，此类短语不一定是指相同实施方案）。如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围。

如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”（或其他此类词语）被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。此类部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。

根据本文讨论的实施方案提供的负荷单元可以被具体地配置用于推力（例如，压力）测量和/或拉力（例如，拉伸）测量。包含如本文所讨论的与主体部分一起设置的硅感测管芯的配置可以被构建到负荷单元设计中，以便为具有各种力测量范围的负荷单元提供标准平台。本文讨论的实施方案允许使用可以被调整以适应各种力测量范围的单个感测管芯感测元件结构。

某些实施方案经由感测管芯的特定实现方式合并硅表面应力感测概念，以使得能够经由单个设备进行推力和拉力两者的测量并且还改善传感器的感测力范围。为了提供此类益处，本文讨论的负荷单元包括主体组件和基部组件。主体组件可以包括：附接元件，该附接元件被配置为相对于外部测量夹具紧固主体组件；主体元件，该主体元件限定容纳硅感测管芯的测量室（以及用于力测量的相关联惠斯通电桥）。如本文所讨论的，附接元件可以被固定到主体元件的外表面以及远离该外表面延伸。主体组件可以另外包括突起构件，该突起构件定位在测量室内并从测量室的闭合端的内表面朝向开放端延伸以便接触感测管芯（并向硅管芯的表面施加应力）。突起构件可以被限定为从主体元件的闭合端的内表面处的第一端延伸到相对远端的至少基本上线性的（例如，圆柱形的）突起部。远端可以具有光滑、圆形的尖端，该尖端邻近基部组件的感测管芯（本文讨论）定位，使得使圆形尖端向感测管芯的表面施加应力。

感测管芯本身可以附接到基部元件，该基部元件本身固定到主体元件的开放端上和/或部分地固定在该开放端内，使得突起构件的远端将应力施加到感测管芯的表面上。基部元件可以是基部组件的一部分，该基部组件本身可以固定（例如，粘附）到外部测量夹具。惠斯通电桥可以被配置为将感测管芯的表面的应力水平与由负荷单元测量的力相关联。如果感测管芯被预加载，使得即使没有将力施加到负荷单元，突起部也会向感测管芯施加应力，则使得拉力将会根据由突起构件施加到感测管芯的力导致感测管芯的应力的可测量减少，并且推力将会导致由突起构件施加到感测管芯的应力的可测量增加。为了清楚起见，力（拉力和/或推力）的量可以由惠斯通电桥作为代理通过测量感测管芯表面的应力的量来进行测量。在将负荷带到管芯的中心时，惠斯通电桥会从标准压阻式惠斯通电桥产生与所施加的负荷成比例的差分输出电压。

图1至图3示出了根据本公开的实施方案的具有用于感测推力和/或拉力的压力传感器的负荷单元的不同视图。图1是示意性负荷单元的透视图。图2示出了图1的具有压力传感器的负荷单元的截面图。图3示出了图1和图2中的负荷单元的基部组件。

如本文所述的公开结构可以适用于超过250psi的压力的高压应用和/或低压应用（例如，低于50psi，低于100克的力施加到负荷单元等）。在另一种场景中，它可以为高压应用以及较低压应用提供稳健传感器布置。

如图1至图2所示，负荷单元2000包括主体组件2000a和基部组件2000b。所示实施方案的主体组件2000a可以由后续附接在一起的单独部件制造，或者主体组件2000a可以一体形成，诸如通过由单件材料机加工主体组件2000a的元件。所示实施方案的主体组件2000a包含三个元件：1)形成测量室2400的上部的主体元件2100；2)设置在主体元件2100的外表面上的附接元件2200（例如，一体地中心附接在主体元件2100的闭合端2105的外表面上），以及3)从由主体元件2100限定的测量室2400的内表面（例如，测量室2400的闭合端2105的内表面）延伸的突起构件2300。所示实施方案的突起构件通常是线性的，并且可以具有从第一端（固定在测量室2400的内表面处）延伸到相对第二远端的大体圆柱形截面（但可以利用其他截面形状，诸如正方形、三角形、六边形等）。在突起构件从主体元件2100的闭合端2105延伸的实施方案中，主体元件2100的闭合端2105的厚度决定突起构件2300在施加到负荷单元2000的每单位力下的线性移动量（并且因此，如本文所讨论的，突起构件2300施加到感测元件的力的量）。例如，较薄闭合端2105的特征可以在于在负荷下的较大变形，与具有较厚闭合端2105的类似配置相比，该较大变形转化为突起构件2300的更大线性移动。因此，为了调整负荷单元2000的灵敏度，可以选择主体元件的闭合端2105的厚度以适应负荷单元2000的期望灵敏度。如图所示，突起构件2300与测量室2400平行和/或同心。所示实施方案的突起构件2300的远端限定光滑圆形尖端（例如，半球形）以向基部组件2000b施加力。

如图所示，附接元件2200可以限定诸如螺纹（例如，阳螺纹或阴螺纹）的紧固特征以有助于将负荷单元紧固到外部夹具。所示实施方案的主体元件2100具有圆柱形状，但应当理解，主体元件2100可以具有各种形状中的任一种，诸如矩形、正方形、椭圆形等。此外，在所示实施方案中，附接元件2200、主体元件2100（和测量室2400）以及突起构件2400沿主体组件的中心轴线对准。在其他实施方案中，一个或多个部件（诸如附接元件2200）可以离轴定位以提供负荷单元的其他安装配置。

在所示实施方案中，测量室2400被限定为主体元件2100的中空内部。测量室2400具有与主体元件2100的形状相对应的形状。例如，所示实施方案的测量室2400具有与主体元件2100的圆柱形状相对应的圆柱形状。限定测量室2400的侧壁可以具有围绕测量室2400的周边的至少基本上均匀的厚度（在测量室2400的内表面和主体元件2100的外表面之间测量）。此外，如图所示，测量室2400具有闭合端2105和用于安装基部组件2000b的相对开放端，使得感测管芯2500可以邻近突起构件2300的远端定位，从而使得突起构件2300的远端向感测管芯2500的表面施加应力（例如，突起构件2300的远端被压到感测管芯2500的表面中）。

继续参考图1至图2，基部组件2000b包括基部元件2700、感测管芯2500和衬底（在所示实施方案中体现为电子印刷电路板2610 (PCB)）。基部元件2700可以具有与测量室2400的形状相对应的形状。例如，基部元件2700可以是圆形盘（对应于圆形测量室2400）；具有弯曲端部（对应于圆形测量室2400）的伸长杆形，这些弯曲端部被配置为接触并轮廓化为测量室2400的内表面的弯曲（以及在弯曲端部之间延伸的线性侧面）；和/或提供基部安装方便性的其他形状。对于基部元件2700被体现为具有弯曲端部的伸长杆的那些实施方案，基部元件2700可以在基部元件2700的线性侧面和测量室2400的弯曲内壁之间限定开口，由此使得电连接（例如，导线）能够从测量室2400传递出去（例如，从与感测管芯2500相关联的连接）例如到达外部电子设备。

此外，衬底（例如，PCB 2610）可以具有与基部元件2700的形状相对应的形状和/或与测量室2400的形状相对应的形状。在衬底具有圆形形状（对应于测量室2400的圆形形状）并且基部元件2700具有带弯曲端部（弯曲端部被配置为轮廓化测量室2400的圆形形状）的伸长杆配置的仅一个实施方案中，衬底的电连接端子可以与基部元件2700和测量室2400的弯曲内壁之间限定的开口对准，由此有助于负荷单元2000与外部电子设备之间的电连接。应当理解，此类实施方案仅是示例，并且可以类似地提供其他配置（例如，衬底和/或基部元件2700可具有穿过其延伸的孔口和/或端子以使得电连接能够从测量室2400的内部传递到负荷单元2000的外部）。

基部元件2700的外径被配置为配合在室2400的下端内。基部元件2700可以与测量室2400的内侧壁过盈配合，或可以通过任何其他合适的附接配置（诸如点焊）固定在其中，以将基部元件2700固定在相对于测量室2400和/或突起构件2300的期望和稳定的位置内。此外，所示实施方案的感测管芯2500通过粘合剂2710（例如，可UV固化或可热固化的环氧树脂）安装到基部元件2700。

在某些实施方案中，感测管芯2500包括相对于基部组件2700的上表面固定并且与电路部件进行电连接（例如，经由导线结合）的单晶感测晶片，其可以限定在一个或多个PCB（例如，具有开放中心的单个PCB 2610或邻近感测管芯2500安装的多个PCB）上。PCB 2610也经由粘合剂附接到基部元件2500。在所示实施方案中，感测管芯2500的输出经由导线2615和2625导线结合到PCB 2610。PCB上限定的导线和电路提供了将负荷单元的电输出连接到处理器的功能以允许根据校准基础将电信号转换为力数据。处理器可以固定在PCB上或从外部设置。

图3是基部组件2000b的示意性顶视图，该基部组件包括位于主体组件2000a的测量室2400内的感测元件（例如，压力感测元件）。如图所示，PCB 2610固定在基部元件2700的顶表面上。所示的PCB 2610限定中心切口以容纳安装在其中的单个感测管芯2500。惠斯登电桥电路由以正方形几何形状安装在感测管芯2500上的四个对称设计的压阻式感测元件2531、2532、2533和2534形成。

参考图3，感测管芯2500是正方形元件。然而，其他形状可以适用于各种实施方案，使得感测管芯2500可以是矩形、圆形、六边形（或其他多边形）等。正方形单感测管芯2500位于由所示实施方案的PCB 2610所限定的开口中。在其他实施方案中，感测管芯2500可以相对于多个分立PCB（其相对于基部元件2700固定）居中定位，并且经由一个或多个导线结合来连接到一个或多个分立PCB以形成基部组件2000b。如图2所示，粘合剂2710将感测管芯2500固定到基部元件2700。可以使用相同或类似的粘合剂将PCB附接到基部。

在某些实施方案中，负荷单元被配置为检测最大拉力（最大张力）与最大推力（最大压力）之间的宽范围的力。在其他实施方案中，负荷单元可以被具体配置为检测范围从最小拉力到最大拉力的宽范围的拉力，或者负荷单元可以被具体配置为检测范围从最小推力到最大推力的宽范围的推力。应当理解，不管校准配置（例如，推/拉、仅推或仅推）如何，总测量范围的大小针对相同的部件可以大致相同，然而，所测量的力值的范围可能基于校准而偏移。

如本文所讨论，可以至少部分基于主体元件2100的闭合端2105的厚度来调整负荷单元2000的校准和/或灵敏度。如前所述，主体元件2100的较薄闭合端2105可以实现负荷单元2000的较高灵敏度，因为施加到负荷单元2000的较小力导致主体元件2100的闭合端2105的变形以及突起构件2300的朝向或远离感测管芯2500的对应线性移动；然而主体元件2100的较厚闭合端2105可实现较高力能力，因为需要施加到负荷单元2000的较大力以使主体元件2100的闭合端2105变形，以便引起突起构件2300的朝向或远离感测管芯2500的对应线性移动。感测管芯2500的输出电压可以在输入到负荷单元2000的一个或多个已知力下进行测量以校准负荷单元2000的输出。

在其他实施方案中，可以通过改变感测管芯2500相对于突起构件2300的相对位置来校准负荷单元2000以适应期望的力范围（例如，靠近突起构件2300的远端移动感测管芯2500在感测管芯2500内产生较高预应力，这使得负荷单元2000能够适应较高拉力；相比之下，远离突起构件2300的远端移动感测管芯2500在感测管芯2500内产生较低预应力，这使得负荷单元能够适应较高推力）。

作为又一个示例，可以通过改变惠斯通电桥压电电阻器的位置以靠近或远离接触点（其中突起构件2300的远端接触感测管芯2500）定位惠斯通电桥压电电阻器来调整感测管芯2500的灵敏度。作为又一个示例，可以通过在感测管芯2500的底侧处形成隔膜和/或调整隔膜的厚度（例如，通过蚀刻感测管芯2500的底侧，通过在感测管芯2500下方基于粘合剂图案形成隔膜，通过改变感测管芯2500的厚度（例如，通过研磨）等）将感测管芯2500的灵敏度调整到期望的灵敏度水平。应当理解，前述内容作为改变负荷单元2000的灵敏度和/或校准的非限制性示例而提供。

不管校准如何，都可以基于由突起构件2300的远端所施加的应力而引起的感测管芯2500的表面的测量应力来检测所测量的力值的整个范围。在某些实施方案中，感测管芯的表面的挠曲的整个范围（例如，从最小挠曲到最大挠曲）可以为至少约一微米。对于被校准以测量推力和拉力两者的配置，应当将感测管芯的表面的测量应力的校准零力点基本上设置在感测管芯的可完全测量应力（和/或挠曲距离）的中点。在这种配置中，施加到负荷单元的拉力可以因此导致感测管芯的表面的应力的可测量减少（例如，在总可测量应力的中点与最小可测量应力之间），并且施加到负荷单元的推力可以导致感测管芯的表面的应力的可测量增加（例如，在总可测量应力的中点与最大可测量应力之间）。再次，应当理解，可以根据需要设置校准零力点以适应期望的测量力范围（例如，在最大拉力和最大推力之间；在最大拉力和最小拉力之间；或在最小推力和最大推力之间）。

当没有力作用在基部上时，应当将电桥电路的输出校准为表示零力输入。当单元被加载有力（例如，推动或拉动基部组件2000b）时，基于突起构件2300相对于感测管芯2500的表面的相对移动对感测管芯2500的表面加应力。突起构件2300到感测管芯2500的表面中的移动（由于施加到负荷单元的推力）导致感测管芯2500的表面的可测量的更多应力（并且在突起构件2300的远端具有半球形状的实施方案中，当突起构件2300的远端的半球形表面的附加表面区域压入感测管芯2500的表面中时，感测管芯2500的较大表面区域被加应力（如图2至图3的2550处指示）），并且突起构件2300远离感测管芯的表面的移动（由于施加到负荷单元的拉力）导致感测管芯2500的表面的可测量的更少应力（并且在突起构件2300的远端具有半球形状的实施方案中，当突起构件2300的远端的半球形表面的较少表面区域接合感测管芯2500的表面时，感测管芯2500的较小表面区域被加应力（如图2至图3的2550处指示））。感测管芯的应力变化引起从惠斯通电桥输出的非零信号，该信号至少基本上与应力和作用力成线性比例。电桥输出2501、2502、2503和2504被导线结合到处理元件，这些处理元件可以限定在基部元件2700上，或者可以在负荷单元的外部，在这种情况下，导线结合可以延伸通过基部2700内的连接器或销或孔口2613、2614、2623和2624。

为了稳定的测试和测量性能，负荷单元必须随时间推移具有非常稳定的性能。为了实现这一点，负荷单元应当由特征在于具有与硅晶片的CTE紧密匹配的CTE（热膨胀系数）或者甚至优选相对于硅的CTE具有负CTE的材料制成。负荷单元的主体元件2100、附接元件2200、突起构件2300和基部元件2700优选由相同材料制成。感测管芯的CTE为至少约3-5µm/m/°K。殷钢42（FeNi42）的CTE为5.3µm/m/°K，非常接近硅的CTE，从而对于某些实施方案使殷钢42成为优选材料以最小化环境温度对力测量的影响。然而，应当理解，在某些实施方案中可以利用具有等效CTE的其他材料。在某些应用中，当温度因素和所需的应用稳定性不是关键时，可以选择用于基部的材料以获得不同的价格和性能范围。例如，突起构件2300的远端可以由第一材料（例如，殷钢42）构造，而主体组件2000a的剩余部分可以由第二材料（例如，钢）构造。

通过确保主体组件至少一部分（例如，突起构件2300的远端）的材料具有与感测管芯2500类似的基于温度的膨胀特性，负荷单元在较宽温度范围内提供可重复的力测量。

在构造所示的负荷单元时，将附接元件2200固定到主体元件2100的外表面（例如，主体元件的顶表面），例如，通过焊接或通过一体机加工主体元件2100和附接元件2200作为一件。附接元件2200限定用作对于较大负荷装置的安装机构的螺纹（或其他联接机构）。然而，应当理解，可以利用其他联接机构，诸如将主体元件2100的外表面直接粘附到较大负荷装置。对于利用螺纹附接元件2200的那些配置，应当理解，可以利用任何螺纹配置。例如，螺纹可以是#6-32 UNC 2A螺纹以连接到标准负荷单元形式因子，以便允许联接从而测量推力和/或拉力。

突起构件2300可以与主体元件2100的测量室2400的内表面一体机加工或牢固地安装在其上（例如，测量室2400的闭合端2105的内表面朝向测量室2400的相对开放端线性延伸）。突起构件2300、附接元件2200和感测管芯2500与负荷单元的中心轴线对准以提供一致且准确的力测量。

当力施加到负荷单元上时，基于突起构件2300相对于感测管芯2500的表面的相对移动对感测管芯2500的表面加应力。突起构件2300到感测管芯2500的表面中的移动导致感测管芯2500的表面的可测量的更多应力（并且在突起构件2300的远端具有半球形状的实施方案中，当突起构件2300的远端的半球形表面的附加表面区域压入感测管芯2500的表面中时，感测管芯2500的较大表面区域被加应力（如图2至图3的2550处指示）），并且突起构件2300远离感测管芯的表面的移动（由于施加到负荷单元的拉力）导致感测管芯2500的表面的可测量的更少应力（并且在突起构件2300的远端具有半球形状的实施方案中，当突起构件2300的远端的半球形表面的较少表面区域接合感测管芯2500的表面时，感测管芯2500的较小表面区域被加应力（如图2至图3的2550处指示））。感测管芯的应力变化引起从惠斯通电桥输出的非零信号，该信号至少基本上与应力和作用力成线性比例。惠斯通电桥电路通常包括四个压阻式传感器并且优选地构建在单晶硅晶片上。

感测管芯2500被粘附或以其他方式固定到基部元件2700的顶表面，连同PCB2610，其被粘附或以其他方式固定到基部元件2700的顶表面。感测管芯2500还经由连接的导线结合2615和2625与PCB 2610连接。该组件从测量室的底部压配到主体元件2100的测量室2400的开放端中。在基部元件2700相对于主体元件2100安装以使得感测管芯2500定位在测量室内时，突起构件2300延伸以与感测管芯2500的表面（例如，感测管芯2500的表面的中心）接触。当正确确定基部元件的位置后，可以将基部元件2100焊接或以其他方式固定到主体元件2100。

相对于基部组件2000b固定主体组件2000a是位置敏感的过程，因为在这种配置中，基部元件2700和感测管芯2500通常具有约一微米或一微米的一部分的从零到对应于最大应力的可测量最大挠曲的全部行程。因此，可以在组装过程期间监测感测管芯2500相对于突起构件2300的位置以确保感测管芯2500相对于突起构件2300的正确定位。仅作为一个示例，可以在组装过程期间电监测感测管芯2500的输出，并且当达到感测管芯2500的目标输出电压时，可以停止基部组件2000b到主体组件2000a中的移动。该校准过程将通过非常精细控制的***来完成。

在校准负荷单元2000以便测量推力以及拉力时，应当通过以下方式对感测管芯2500进行校准以检测期望的全部范围的潜在施加力：首先使感测管芯2500加载有少约50%的其最大应力（基于感测管芯2500相对于突起构件2300的定位）输出范围，以便在施加增加的推力时以及在施加减少的推力（归因于向负荷单元施加的拉力）时允许输出改变。为了进一步适应来自单个负荷单元的推力和拉力的准确测量，负荷单元可以经由附接元件2100的螺纹配置（例如，具有#6-32 UNC 2A螺纹）相对于外部夹具进行安装，以允许牢固地紧固到外部夹具以便实现与推和拉的联接。

在某些实施方案中，基部元件2700限定顶表面的一个或多个平坦部分（例如，其可以经由铣削形成）以使得销或孔口2613、2614、2623和2624能够延伸通过PCB（或其他衬底）以便允许在组装产品后进行电连接。这些连接可以非常容易地通向可包含ASIC（专用集成电路）的另一个功能PCB（或其他衬底），该ASIC可以仍按照该相对较小形式因子为设备提供经补偿、校准的数字输出。

在被配置用于仅测量压缩力（推力）的实施方案中，附接元件2100可以仅用平坦表面（例如，被配置为粘附到外部设备）替换以降低成本并缩短整体负荷单元设计。

作为示例，根据各种实施方案配置的负荷单元可以具有直径为8mm以及长度为10mm的总包装尺寸，包括基部元件、主体元件和附接元件。然而，所公开的负荷单元不限于该尺寸。

总而言之，本文所讨论的实施方案提供了一种可以被配置用于各种力范围（其可包括推力、拉力或两者）的测量的单感测管芯感测元件结构。这种设计是成本有效的，至少部分是因为感测结构可以潜在地大量建造并且然后与特定主体组件结合以用于期望的力范围。设计的大小将允许在测试和测量应用中将相同解决方案构建到完全不同的系列中。而且，这种设计更容易适应大批量生产以实现低成本解决方案。

Claims

1.一种负荷单元，包括：

主体组件，所述主体组件包括：

主体元件，所述主体元件限定具有闭合端和相对开放端的测量室，其中所述主体元件包括位于所述测量室内并从所述闭合端朝所述开放端延伸的突起构件；和

基部组件，所述基部组件固定在所述主体元件的所述开放端处，其中所述基部组件包括：

基部元件；和

感测管芯，所述感测管芯附接到所述基部元件并与所述突起构件对准，其中所述感测管芯的顶表面支撑惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路被配置为至少部分地基于由所述突起构件施加在所述感测管芯上的力来生成信号，

其中所述突起构件在所述感测管芯中引起应力，

其中在所述感测管芯中的所述应力与从所述突出构件施加的推力和拉力相关联，且

其中所述负荷单元（2000）在零力状况下通过所述突起构件（2300）在所述感测管芯（2500）上施加力而被预加应力，并且其中所述负荷单元（2000）被电子校准以将所述感测管芯（2500）内的应力的减少与施加在所述负荷单元（2000）上的拉力相关联，并且将所述感测管芯（2500）内的应力的增加与施加在所述负荷单元（2000）上的推力相关联。

2.根据权利要求1所述的负荷单元（2000），其中所述主体组件（2000a）还包括附接元件（2200），且其中所述附接元件（2200）、所述主体元件（2100）和所述突起构件（2300）由共同材料一体地形成。

3.根据权利要求1所述的负荷单元（2000），其中所述突起构件（2300）限定固定在所述主体元件（2100）的所述闭合端处的第一端以及邻近所述感测管芯（2500）定位的相对远端，并且其中所述远端具有圆形且光滑的尖端。

4.根据权利要求2所述的负荷单元（2000），其中所述附接元件（2200）限定螺纹部分以接合外部测量夹具。

5.根据权利要求2所述的负荷单元（2000），其中所述共同材料的特征在于具有至少大致匹配所述感测管芯（2500）的热膨胀系数（CTE）的热膨胀系数。

6.根据权利要求1所述的负荷单元（2000），其中所述感测管芯（2500）应力被记录在所述惠斯通电桥电路中，其中所述惠斯通电桥电路包括四个压阻式传感器（2531，2532，2533，和2534），其中所述惠斯通电桥电路的输出被校准成存储在电路中的力。

7.根据权利要求6所述的负荷单元（2000），其中所述电路限定在一个或多个印刷电路板（2610）上，其中所述一个或多个印刷电路板通过粘合剂（2710）安装在所述基部元件（2700）上。

8.根据权利要求7所述的负荷单元（2000），其中所述一个或多个印刷电路板（2610）在所述测量室（2400）内安装在所述基部元件（2700）上，并且其中所述基部组件（2000b）还包括从所述一个或多个印刷电路板（2610）延伸并通过所述基部元件（2700）内的孔口（2613）到达所述负荷单元（2000）的外部的一个或多个电引线。

9.根据权利要求1所述的负荷单元（2000），其中所述感测管芯（2500）内的应力与从所述突出构件（2300）施加的推力和拉力相关联。

10.一种测量负荷单元中的力的方法，包括：

提供主体元件（2100），所述主体元件限定具有闭合端和相对开放端的测量室（2400），其中所述主体元件（2100）包括位于所述测量室（2400）内并从所述闭合端朝所述开放端延伸的突起构件（2300）；和

提供基部组件（2000b），所述基部组件固定在所述主体元件（2100）的所述开放端处，其中所述基部组件（2000b）包括：基部元件（2700）；和感测管芯（2500），所述感测管芯附接到所述基部元件（2700）并与所述突起构件（2300）对准，其中所述感测管芯（2500）的顶表面支撑惠斯通电桥电路，所述惠斯通电桥电路被配置为至少部分地基于由所述突起构件（2300）施加在所述感测管芯（2500）上的力来生成信号，

监测由通过所述突起构件（2300）施加在所述感测管芯（2500）上的力引起的所述感测管芯（2500）的应力，和

使所述应力与力相关联；

所述方法的特征在于：

在零力状况下通过所述突起构件（2300）在所述感测管芯（2500）上施加力而对所述负荷单元（2000）预加应力；

电子校准所述负荷单元（2000）以将所述感测管芯（2500）内的应力的减少与施加在所述负荷单元（2000）上的拉力相关联，并且将所述感测管芯（2500）内的应力的增加与施加在所述负荷单元（2000）上的推力相关联。