专利名称：：双比率力传感器的制作方法
技术领域：
：本发明一般涉及测量装置，并且尤其涉及一种力传感器，其应用了一根机器加工制造的弹簧，来提供两种不同的弹簧比率和多个传感器以测量不同的比率。
背景技术：
：在现有技术中，两种单独的力传感器被用来测量两个不同的力范围。这需要每个传感器的单独的设置方案，由此增加了机械复杂度，并使整体的硬件方案的重量增加。
发明内容一种双比率力传感器包括在相对的部件之间相耦合的双比率弹簧。弹簧的一个部分有第一弹簧比率，弹簧的另一个部分有第二弹簧比率。多个传感器相耦合以测量弹簧位移(displacement)。机械停止器用来限制弹簧的压縮。通过参照附图，所描述的实施例祐变得更加容易理解，其中-图1A和1B是根据优选实施例的力传感器的平面图；图2是力传感器的透视图，其省略弹簧以示出LVDT;图3A-3E是弹簧和翼缘的平面图；图4是力传感器的透视图，其切去了弹簧的一部分以示出LVDT;图5A-5C是LVDT的电路图；图6A-6B是输入力对输出偏移的图示。在所有附图中，相同的标记表示相同的部件。具体实施方式本文描述的优选实施例是一种双比率力传感器。双比率弹簧由单块材料(例如不锈钢)通过机器加工制造，以在弹簧的任一端具有两种不同的拉伸规格，在弹簧的部分之间具有共享的翼缘(flange)或者压板(platen)。另一个翼缘附着于每个弹簧部分的远端。多个LVDT设置在弹簧上以测量位移。举例来讲，在优选实施例中，LVDT变换器(transformer)被附着在中央共享的翼缘上，而可移动的核心(电枢)被附着于任意一端的翼缘。来自所有LVDT的信号与信号处理电路相耦合，其中这些信号被处理并被用于检测和控制方案。如图1A和1B所示，力传感器10包括一对相对的支柱部分20L、20R和弹簧30，弹簧30设置在支柱部分之间。力传感器10典型地应用于飞行器，并且理想地应用于座舱控制，包括检测驾驶员对副翼、升降舵以及方向舵控制所施加的力。支柱部分20L、20R带有翼缘部分22L和22R，这些翼缘形成在支柱部分的临近端。在一个优选实施例中，止动杆32被耦合在翼缘部分22L和22R之间，并被用于限制弹簧30的压縮/回縮和扩张/延伸，这样可以保护弹簧处于最大限制范围内和系统的最大力载荷的范围内。具体来说，弹簧30在以下情况下可能会变形或断裂(i)在延伸或回縮时，弹簧被允许在无限制的伸縮范围内移动，或者(ii)当施加于支柱部分20L、20R时，弹簧经历最大量的力载荷。如图2所示，设置于弹簧30内部起作用的是三个线性可变差分变换器(LVDT)40、41和42。众所周知，LVDT是位移测量设备，其产生与圆柱形变换器内的可移动核心(电枢)的位移成比例的电信号。对于理解本发明，对其的完整描述被认为是不必要的。支柱部分20L、20R的结构也是普遍公知的。优选地，支柱是圆柱形状，其由不锈钢或者铝通过机器加工制造，直径D1为0.750英寸。(在本发明中所指示的所有尺寸均为近似值)。支柱的附加部分24有一个直径D2为0.2500英寸的圆形开口，其与传感器的一端连接在一个固定的位置上，而传感器的另一端连接期望的载荷。翼缘部分22L和22R也是由不锈钢或者铝制造，它们的直径D3近似为2.25英寸，通过例如焊接固定在支柱上。处于零位的传感器的总长度Ll是9.5英寸，每个支柱部分的测量的长度L2为3.00英寸，弹簧部分的测量的长度L3为3.50英寸。图3A-3C所示的是弹簧30的优选实施例的详细图示。弹簧30优选地由单块符合航天材料规格("AMS")5659的15-5PH不锈钢通过机器加工制造，在固溶热处理(solutionheattreated)条件下，形成圆柱形的结构。从图3A的右侧开始，弹簧30包括环形的部分33，其深度XI约为0.252英寸，厚度X2约为0.003英寸，内部设置有翼缘22L。在一个优选实施例中，翼缘22L被焊接在适当的位置。如图3A所示，弹簧30的左侧有相似的环形部分，用于设置翼缘22R。止动杆32的端通过相应的翼缘22L和22R的各自的翼缘开口127。如图1A和3A所示，弹簧30包括两个不同的比率部分，即被弹簧分隔翼缘30b隔离的飞行数据记录器(FDR)部分30a和飞行控制电子装置(FCE)部分30c。弹簧30的FDR部分30a和FCE部分30c有效地建立了两个弹簧，在FDR和FCE接合期间所述弹簧各自反抗施加于控制系统上的力。通常来说，根据公知的设计标准，弹簧由相互间偏移90°的梁柱(beam)组成。梁柱的厚度在给定的载荷下通过弯曲向弹簧给出了其弹簧比率。梁柱厚度的变化是为了产生不同的弹簧比率以专用于任何给定的应用。在梁柱间的间隙或者狭槽34，35，36和37由梁柱的厚度和弹簧的总长度决定。此类型的力传感器典型地应用于以下情形，即需要两个力范围，其中一个远大于另一个，典型地需要通过两个分离的传感器来实现范围和精确度需求。每个弹簧能够有它的弹簧比率(梁柱的厚度)以适于单一的力范围，而并不影响另一个弹簧的范围。对于给定的力和循环次数，每个弹簧必须能够承受压力而不会经历疲劳衰坏。由于这个原因，就可以使用停止器以确保弹簧所承受的力不会超出其操作范围。虽然在优选情况下弹簧和分隔翼缘是由单块材料通过机器加工制造的，但也可以通过机器加工两根单独的弹簧，然后再将它们连接(例如通过焊接或者铜焊)成共同的分隔翼缘。此>卜，可以将具有双比率的单一弹簧通央翼缘，可以在之后例如通过钉住或焊接来添加翼缘。在这个优选的实施例中，在弹簧30的FDR部分30a中的梁柱之间形成一连串的三个狭槽部分34，每个狭槽的深度乂3为2.2英寸，其内部弯曲半径Rl为0.095英寸。狭槽34的宽度Wl为O.l卯英寸。在弹簧30的FCE部分30c中形成两个更小的狭槽部分35，其中每个狭槽具有和狭槽34相同的深度X3，其内部半径R2为0.055英寸，宽度W2为0.070英寸。狭槽34、35的边缘应向内侧和外侧弯折(break)大约0.010至0.030英寸的过渡半径(radiusblend)，或者0.005至0.030乘以45度加减10度的斜面。此外，在狭槽的内部半径或者弹簧的外表面都木应该有机械痕迹。在弹簧30中还形成有一连串的三个间隙36和两个间隙37。第一组间隙36具有和间隙34相同的宽度Wl，第二组间隙37具有和间隙35相同的宽度W2。间隙36、37的深度X4为1.950英寸。从图中可以看出，狭槽34、35和间隙36、37的开口交错，从而使弹簧30可以小程度地压缩。如图3C所示，弹簧30的弹簧分隔翼缘30b有一连串的开口。三个开口26A-C的直径D4均为0.3125英寸，以用来容纳LVDT的变换器部分(未示出)的设置，如下所述。其中，开口26B位于翼缘的中央，另外两个开口26A、26C与中央开口成一线，与中央开口的距离X5为0.719英寸。两个开口27的直径D5均为0.250英寸，与中央开口26的距离X8为0.650英寸。开口27用来令止动杆32从其插入。三个开口28的直径D6均为0.138，以用来容纳来自位于弹簧30内部的LyDT的导体(conductor)18。如图3D-E所示，翼缘22L(与翼缘22R相似，未示出)有一连串的开口。三个开口126A-C的直径D7均为0.3125英寸，以用来容纳LVDT的金属芯(未示出)的设置，如下所述。其中，开口126b位于翼缘的中央，另外两个开口126A、126C与中央开口126b成一线，与中央开口126b的距离X6为0.719英寸。两个开口127的直径D7均为0.250英寸，与中央开口126b的距离X7为0.650英寸。开口127用来令止动杆32从其插入。现在参考图1A和图4，可以看到止动杆32包括一对螺纹杆以及被适当地设置以穿过开口27的锁定螺母。具体来说，止动杆32包括一对螺纹杆50，其被适当地设置以穿过弹簧30中的弹簧分隔翼缘30b的对应开口27，还穿过翼缘22L和翼缘22R的对应开口127。在翼缘22L附近，锁定螺母53被固定于螺纹杆50上翼缘22L向外偏移的位置上，以为弹簧30的FDR部分30a的延伸提供机械制动。同样地，锁定螺母54被固定于螺纹杆50上翼缘22L向内侧偏移的位置上，以为弹簧30的FDR部分30a提供机械制动。相似的，在翼缘22R附近，锁定螺母51和52被固定于螺纹杆50上以提供抵抗来自翼缘22R的弹簧30的FCE部分30c进行相应延伸和回縮的机械制动。弹簧30的FCE部分30c的制动接合点自它的无载荷位置算起是0.020英寸，而弹簧30的FDR部分30a的制动接合点自它的无载荷部分算起是0.090英寸。止动杆的规格由限制和最大载荷决定。杆的材料和/或尺寸必须使杆能够承受单元载荷而不发生弯曲。压縮载荷是限制因素，并且不是拉伸载荷。考虑杆的长度和其穿过翼缘22L和22R的引导端(guidedend)处的有限支撑，必须通过柱式方法^^分析施加在螺母上的力，以确保杆有足够大的安全裕度以支撑有限和最大的载荷。可以从现有的标准螺纹杆中选择止动杆，但是大小必须根据压力分析来选择。类似地，可以将螺纹杆的材料改变为特殊的材料，以实现更坚固的杆并实现更小的封装。螺母通常是标准的非定制型防松螺母，但其也可以被做成实现支撑翼缘载荷的预期功能的任何形状。可选地，它还可以有一个、两个或任意希望数目的停止器(stop)，但两个可能是优选的配置，以实现所需的个体杆的最小调整的较高的安全裕度。现在参照图2和图4，LVDT41的变换器部分41T相关于弹簧分隔翼缘30b上的中央开口26b固定在弹簧30内部，而可移动的核心41A相关于中央开口126b固定在翼缘22L上。同样地，LVDT40的变换器部分40T相关于弹簧分隔翼缘30b上的开口126A固定在弹簧30内部，而可移动的核心40A相关于端的开口126A固定在另一个翼缘22R上。LVDT42与LVDT40的配置方式相同，因此它的变换器部分42T相关于弹簧30中的弹簧分隔翼缘30b内的开口26而固定，它的可移动核心42A相关于翼缘22R的开口126A而固定。这样，两个外部的LVDT40、42的可移动核心固定到翼缘22R,而中央LVDT41的可移动核心固定到翼缘22L。每个LVDT的电路图参见图5A-5C。弹簧30的FCE部分30c的输出属性参见图6A，其中通道1和2(LVDT40和42)同相求和。弹簧30的FDR部分30a的输出属性参见图6B，其中测量通道3(LVDT41)。需要注意的是，以上说明是优选实施例，但是尺寸和测量都是近似地。通常，根据此说明构造的传感器的测量的完全范围是士627lbs，其载荷限制为士14501bs，而最大限制为士2175磅。延伸FCE的弹簧比率为1000±10%磅/英寸，回縮FDR弹簧比率为7000±10%磅/英寸。表I中给出了电气规格。表I<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表II给出了性能规格。表II<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>尽管己经描述了具体的实施例，但显而易见的是，在不偏离本发明的主旨和范围的情况下，可以对此实施例进行各种各样的修改和变更。相应地，应将说明书和附图视为说明性而非限制性的。由所附的权利要求来定义本发明的适当范围。权利要求1、一种双比率力传感器，包括一对相对的部件，所述一对相对的部件具有在它们之间耦合的双比率弹簧和紧邻所述弹簧设置的多个传感器，所述多个传感器用于测量弹簧位移。2、如权利要求1所述的双比率力传感器，其中，所述双比率弹簧是由单块材料通过精准的机器加工而制造的，所述双比率弹簧包括第一弹簧部分、第二弹簧部分和压板，所述第一弹簧部分具有第一弹簧比率，所述第二弹簧部分具有第二弹簧比率，所述压板固定在所述第一和第二弹簧部分的近端之间。3、如权利要求1所述的双比率力传感器，其中，每个传感器具有固定的变换器和可移动的核心，所述多个传感器中的至少一个传感器的可移动核心耦合到一个相对的部件，以及所述多个传感器中的至少一个传感器的可移动核心耦合到另一个相对的部件。'4、如权利要求1所述的双比率力传感器，其中，所述多个传感器耦合到信号处理电路。5、如权利要求1所述的双比率力传感器，还包括机械停止器，所述机械停止器为弹簧位移设置物理限度。6、一种双比率力传感器，包括一对支柱，每个所述支柱在其近端具有一个翼缘；弹簧，所述弹簧设置到所述支柱之间的所述翼缘上并包括第一部分、第二部分和压板，所述第一部分具有第一弹簧比率，所述第二部分具有第二弹簧比率，所述压板固定在所述第一和第二部分的近端之间，其中，所述弹簧的第一端耦合到一个翼缘上，而所述弹簧的第二端耦合到另一个翼缘上；以及多个位移传感器，所述多个位移传感器临近所述弹簧而耦合，每个传感器具有固定的变换器和可移动的核心，所述多个传感器中的至少一个传感器的可移动核心耦合到所述一个翼缘，以及所述多个传感器中的至少一个传感器的可移动核心耦合到所述另一个翼缘。7、如权利要求6所述的双比率力传感器，其中，所述弹簧是由单块材料通过精准的机器加工而制造的。8、如权利要求6所述的双比率力传感器，还包括机械停止器，所述机械停止器为弹簧的位移设置物理限度。9、一种双比率力传感器，包括第一弹簧，具有第一弹簧比率；第二弹簧，具有第二弹簧比率；第一和第二翼缘，所述第一和第二翼缘分别位于所述第一和第二弹簧的远端；第三翼缘，所述第三翼缘将所述第一弹簧的近端耦合到所述第二弹簧的近端；'设置硬件，所述设置硬件通过所述第一、第二和第三翼缘耦合；以及多个力传感器，所述多个力传感器临近所述第一和第二弹簧设置，并且用于测量弹簧位移。10、如权利要求9所述的双比率力传感器，其中，所述第一弹簧、第二弹簧和第三翼缘是由单块材料通过精准的机器加工而制造的。11、如权利要求9所述的双比率力传感器，其中，每个位移传感器具有固定的变换器和可移动的核心，所述多个传感器中的至少一个传感器的可移动核心耦合到第一翼缘，以及所述多个传感器中的至少一个传感器的可移动核心耦合到第二翼缘。12、如权利要求9所述的双比率力传感器，其中，所述设置硬件包括机械停止器，所述机械停止器为弹簧的位移设置物理限度。13、一种双比率力传感器，包括双比率弹簧，所述双比率弹簧是由单块材料通过机器加工而制造的，所述双比率弹簧包括第一弹簧部分、第二弹簧部分和压板，所述第一弹簧部分具有第一弹簧比率，所述第二弹簧部分具有第二弹簧比率，所述压板固定在所述第一和第二弹簧部分的近端之间；第一翼缘和第二翼缘，所述第一和第二翼缘分别耦合到所述第一弹簧部分和第二弹簧部分的远端；设置硬件，所述设置硬件通过所述翼缘和所述压板耦合，并包括机械停止器，所述机械停止器为弹簧的位移设置物理限度；以及多个位移传感器，所述多个位移传感器设置在所述弹簧内，所述多个传感器中的至少一个传感器耦合到第一翼缘，以及所述多个传感器中的至少另一个传感器耦合到第二翼缘。14、一种制造双比率力传感器的方法，包括形成双比率弹簧，所述双比率弹簧包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一弹簧比率，所述第二部分具有第二弹簧比率；以及紧邻所述弹簧设置多个位移传感器。15、如权利要求14所述的方法，其中，所述形成步骤包括由单块材料通过精准的机器加工而制造所述弹簧。16、如权利要求15所述的方法，还包括，由所述单块材料在所述第一和第二弹簧部分的近端之间形成压板。17、如权利要求16所述的方法，还包括，形成一对翼缘，各翼缘分别耦合到所述第一弹簧部分和第二弹簧部分的远端。18、如权利要求17所述的方法，其中，所述多个位移传感器中的至少一个位移传感器耦合到一个翼缘，所述多个位移传感器中的至少另一个位移传感器耦合到另一个翼缘。19、如权利要求14所述的方法，还包括，为所述弹簧设置机械停止器以限制弹簧的位移。20、一种测量弹簧位移的方法，包括设置耦合在相对部件之间的双比率弹簧；以及设置多个传感器，所述多个传感器紧邻所述弹簧而耦合，并用于测量弹簧位移。21、如权利要求20所述的方法，其中，耦合的至少一个传感器用于测量第一弹簧比率，耦合的至少另一个传感器用于测量第二弹簧比率。22、如权利要求21所述的方法，其中，所述多个传感器耦合到信号处理电路。全文摘要本发明揭示了一种双比率力传感器。弹簧是经过机器加工制造的，其包括第一弹簧部分、第二弹簧部分和压板，所述第一弹簧部分具有第一弹簧比率，所述第二弹簧部分具有第二弹簧比率，而所述压板在弹簧部分之间。一对翼缘附着于弹簧部分的远端。至少有一个传感器附着于多个翼缘中的一个，至少有另一个传感器附着于多个翼缘中的另一个。设置部件用来将弹簧、翼缘和压板耦合在一起，包括至少一个机械停止器来限制弹簧位移。文档编号G01L1/04GK101283244SQ200680037603公开日2008年10月8日申请日期2006年8月9日优先权日2005年8月10日发明者J·S·布朗宁申请人:用户传感器与技术公司