阅读说明：本技术 具有超载保护的荷重单元 (Load cell with overload protection ) 是由 H.梅 Q.胡 于 2018-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种荷重单元,包括从固定部延伸到负荷部的梁,所述梁包括在负荷下移动的偏转部和与所述偏转部间隔开的中心梁部。至少一个应变仪联接到所述梁,以检测所述梁的运动。本发明还提供了一种包括支承表面的止动元件,其联接到所述梁且配置为使得所述支承表面基于所述梁上的负荷而在第一位置不接合所述梁且在第二位置接合所述梁。(The invention provides a load cell comprising a beam extending from a fixed portion to a load portion, the beam comprising a deflection portion that moves under a load and a central beam portion spaced from the deflection portion. At least one strain gauge is coupled to the beam to detect movement of the beam. The present invention also provides a stop element including a bearing surface coupled to the beam and configured such that the bearing surface does not engage the beam in a first position and engages the beam in a second position based on a load on the beam.)

具有超载保护的荷重单元

技术领域

本文的主题总体上涉及荷重单元及其制造方法。

背景技术

荷重单元用于许多不同的应用，以测量力和扭矩并将它们转换为电信号。应变仪荷重单元是最常见的类型。

特别地，应变仪荷重单元测量由于负荷导致材料变形而产生的应变仪的电阻变化。在恒定的输入激励电压下，即使对于小的偏转也可以检测到这种变化，从而可以确定负荷。常见的应变仪荷重单元包括剪切梁荷重单元、平台荷重单元、双端剪切梁荷重单元、弯曲梁荷重单元等。

在制造荷重单元时，对于荷重单元的任何给定使用存在许多考量。这些考量包括成本、可加工性、再现性、空间要求、耐久性、准确性、超载能力、材料特性等。通常，为了节省成本，可以牺牲荷重单元的鲁棒性(robustness)和性能。在一个例子中，制造商通常希望利用诸如铝的材料代替诸如不锈钢的更昂贵的材料来降低成本。然而，铝不像不锈钢那么坚固，使得这种荷重单元更容易受到屈服条件的影响，因此由于诸如跌落状况的超载状况而导致不准确、漂移、损坏和/或故障。

因此，需要增加应变仪荷重单元的鲁棒性，同时最小化附加成本。另外，需要具有这种增加的鲁棒性，同时仍然实现高效的制造过程。

发明内容

在实施例中，提供一种荷重单元(load cell)，其包括从固定部延伸到负荷部的梁，所述梁包括在负荷下移动的偏转部和与所述偏转部间隔开的中心梁部。所述荷重单元还包括联接到所述梁的至少一个应变仪，以检测所述梁的运动，以及止动元件，其包括支承表面，其联接到所述梁且配置为使得所述支承表面在第一位置不接合所述梁且在第二位置接合所述梁。

在另一实施例中，提供了一种荷重单元，其包括从固定部延伸到配置为接收负荷的负荷部的梁，所述梁包括与所述负荷部间隔开的中心梁部，以在所述负荷部与所述中心梁部之间形成通道。以及可调节的止动元件，其固定到所述中心梁部且延伸穿过所述通道进入所述负荷部中，所述止动元件配置为在第一方向接合高于阈值负荷的所述负荷部且在第二方向接合高于所述阈值负荷的所述负荷部。

在另一实施例中，提供了一种健身装置，其包括框架、联接到所述框架的至少一个踏板、以及联接到所述框架和至少一个踏板的飞轮，以响应于所述至少一个踏板的运动而旋转。所述健身装置还包括涡流制动器，其具有与第二磁体间隔开的第一磁体，所述飞轮设置在其之间。一种荷重单元，包括梁，其具有联接到所述磁体的负荷部，使得所述第一磁体在第一方向上的运动将负荷置于所述负荷部上，所述荷重单元包括设置有所述梁的止动元件，以防止所述梁的运动高于阈值力。

附图说明

图1是根据示例性实施例的利用荷重单元的示意图。

图2A是根据示例性实施例形成的荷重单元的俯视平面图。

图2B是根据示例性实施例的荷重单元的侧视平面图。

图2C是根据示例性实施例形成的荷重单元的俯视平面图。

图2D是根据示例性实施例形成的荷重单元的俯视平面图。

图3是根据示例性实施例的荷重单元的剖视图。

图4A是根据示例性实施例的荷重单元的局部剖视图。

图4B是根据示例性实施例的荷重单元的局部剖视图。

图4C是根据示例性实施例的荷重单元的局部剖视图。

图4D是根据示例性实施例的荷重单元的局部剖视图。

图5A是根据示例性实施例形成的荷重单元的俯视平面图。

图5B是根据示例性实施例的荷重单元的侧视平面图。

图5C是根据示例性实施例的荷重单元的正面平面图。

图6是惠斯通电桥电路的电路示意图。

图7是根据示例性实施例的固定自行车上的荷重单元的透视图。

具体实施方式

本文的实施方案阐述了应变仪荷重单元，其被示出为剪切梁型应变仪荷重单元。例如，示例性实施例包括应变仪荷重单元，其具有固定部、第一和第二侧偏转部(其之间间隔有中心梁部)、负荷部、止动元件，以及电连接的应变仪以形成完整的惠斯通电桥。这些示例性实施例是示例性的，并且可以设想诸如平台荷重单元、双端剪切梁荷重单元、弯曲梁荷重单元等的附加的应变仪荷重单元。类似地，类似地设想了附加的应变仪装置，包括半(1/2)惠斯通电桥布置，四分之一(1/4)惠斯通电桥布置等。荷重单元的示例性实施例包括至少一个止动元件，其位于荷重单元的通道内，以便在荷重单元超载的情况下提供补充的支撑(包括由于荷重单元跌落)以防止屈服条件。

图1是根据实施实施例形成的负荷系统100的示意图。负荷系统100包括负荷装置102、荷重单元104和通信装置106。在一个示例中，负荷装置102是固定自行车上的制动系统。通常，负荷装置102接合荷重单元104并在单个方向上在荷重单元104上提供负荷，从而引起荷重单元104的变形。荷重单元104可以是任何类型，包括剪切梁荷重单元、平台荷重单元、双端剪切梁荷重单元、弯曲梁荷重单元等。荷重单元104包括应变仪108，其检测荷重单元的光束的移动或偏转，并将电子信号发送到通信装置。通信装置106包括显示器110，其将应变仪108的读数呈现给用户。示例实施例中的通信装置106包括CPU、智能电话、手持装置，膝上型计算机、智能手表、其他智能装置，以及传输和处理数据和信息以供显示的类似物。

图2A-4D示出了荷重单元200的示例性实施例，其在一个示例中是图1的荷重单元104。在该示例中，荷重单元是剪切梁荷重单元。荷重单元200包括梁或本体202、固定部204、可移动负荷部206、第一可移动偏转部208、第二可移动偏转部210、以及中心梁部211。

梁202从固定部204延伸到负荷部206。第一可移动偏转部208和第二可移动偏转部210以平行间隔关系从固定部204延伸，并且延伸到负荷部206。

第一偏转部208和第二偏转部210中的每一个包括弧形部分212和214，其沿着每个部分208、210提供薄的或减小的宽度。沿着每个部分208、210的外表面固定至少一个应变仪216。在图2A-4D的实施例中，使用了四个应变仪216，它们作为惠斯通电桥电路彼此电连接。当负荷作用在荷重单元200上时，两个应变仪处于压缩状态，而两个应变仪处于拉伸状态。在其他示例中，仅使用半惠斯通电桥布置中的两个应变仪216，或四分之一惠斯通电桥布置中的单个应变仪216。如图所示，第一组应变仪218放置在第一偏转部208的最薄部分的任一侧，而第二组应变仪220放置在第二部分210的最薄部分的任一侧。因此，当负荷横向于负荷部206放置时，每组218、220中的应变仪216之间的距离基于负荷的方向而变化。每组218、220中的应变仪216之间的距离的变化导致电阻的相应变化，因此改变用于确定负荷的电压电位。

中心梁部211以第一偏转部208和第二偏转部210之间的平行间隔关系从梁202的固定部204延伸到负荷部206。以这种方式，第一通道224形成在第一偏转部208和中心梁部211之间，第二通道226形成在第二偏转部210和中心梁部211之间。类似地，第三通道228形成在中心梁部211和负荷部206之间，并且与第一通道224和第二通道226连通。具体地，第一通道224和第二通道226以平行间隔关系延伸，而第三通道228在第一通道224和第二通道226之间横向于第一通道224和第二通道226延伸。因此，第一偏转部208可以相对于中心梁部211移动穿过第一通道224，并且第二偏转部210可以相对于中心梁部211移动穿过第二通道226。

在图2A-4D的替代示例实施例中，中心梁211安装成固定的，类似于固定部204，并且定位成为第一偏转部208和/或第二偏转部210提供超载支撑。具体地，中心梁部211被配置成使得第一通道224和/或第二通道226的公差或宽度导致在屈服条件之前，中央梁部211被第一偏转部208或第二偏转部210接合。以这种方式，中心梁部211为第一偏转部208和/或第二偏转部210提供超载支撑。可选地，即使中心梁部211未固定，通过配置为具有引起第一偏转部208和/或第二偏转部210的接合的公差，中心梁部211的刚性补充了第一偏转部208或第二偏转部，以最小化和防止由于超载导致的屈服条件。

在图2A-4D的示例中，提供了超载保护系统230。超载保护系统230包括第一孔232、第一止动元件234、第二孔236、第二止动元件238、第三孔240和第三止动元件242。

如图3的示例性剖视图所示，第一孔232穿过第一偏转部208设置在中心梁部211附近，并且接收部分地设置在第一通道224中的第一止动元件234。在一个示例中，第一止动元件234是销元件，其包括用于接合中心梁部211的支承表面244。虽然在该示例中第一止动元件234被示出为穿过第一偏转部208中的第一孔232设置的销元件，但是第一止动元件234可以以其他方式部分地设置在第一通道224内，包括旋拧第一止动元件234穿过第一孔232，将第一止动元件234焊接、粘合或铆固到第一偏转部208等。同样地，在一个示例中，第一止动元件可以类似地设置在中心梁部211的孔内，或者通过焊接、粘合、铆固等在沿着第一通道224的任何位置处固定到中心梁部211。

第一止动元件234位于荷重单元200的负荷部206附近。通过将第一止动元件234定位在荷重单元200的负荷部206附近，由第一止动元件234在最大力矩发生的位置处提供支撑，从而最大化支撑。尽管如此，虽然第一止动元件234被示出为延伸到与荷重单元200的负荷部206相邻的第一通道224中，为了便于制造，第一止动元件234可以沿着第一通道224部分地设置在任何位置，以向第一偏转部208提供支撑。在另一替代实施例中，再次，为了便于制造，第一止动元件234可以接收在中心梁部211的孔(未示出)内，或者类似地通过焊接、粘合、铆固等附接到中心梁部211，这导致第一止动元件234部分地设置在第一通道224内。在替代实施例中，第一止动元件234位于便于制造的位置。

通过利用与第一止动元件234相关联的第一孔232，第一止动元件234可以在距离中心梁部211预定距离处被调节或定位在第一通道224中。以这种方式，取决于荷重单元200的材料的屈服条件，第一止动元件234可以定位成当荷重单元200上发生超载状况时防止第一偏转部208内的屈服条件。具体地，当负荷在第一方向上横向于负荷部206呈现在负荷部206上时，第一止动元件234与第一偏转部208一起从第一位置移动(图2A)并且当负荷超过阈值负荷时，第一止动元件的支承表面244在第二位置(图2D)接合中心梁部211。因此，第一止动元件234防止第一偏转部208穿过第一通道224的额外移动。因此，通过调节第一止动元件234在第一通道224内的位置，使用者可以限制第一偏转部208的移动，以防止在超载状况期间第一偏转部208上的屈服条件。

在一个示例中，可以计算导致材料的屈服条件所需的力的量，并且可以定位第一止动元件234以防止在超载状况期间的屈服条件，例如荷重单元的跌落状况。在一个示例中，该计算出的力是阈值负荷，使得低于阈值负荷，第一止动元件234的支承表面244不接合中心梁部211，并且高于阈值负荷，第一止动元件234接合中心梁部211。替代地，阈值负荷是应变仪218中的至少一个损坏或发生故障的负荷。替代地，第一止动元件234可以通过调节第一止动元件234的极限负荷和位置来定制设定以接合中心梁部211。以这种方式，解决了相同负荷的机械尺寸变化，包括偏转变化。

第二孔236穿过中心梁部211设置在第二偏转部210附近，并且接收部分地设置在第二通道226中的第二止动元件238。在一个示例中，第二止动元件238是销元件，其包括用于接合中心梁部211的支承表面246。虽然在该示例中第二止动元件238被示出为穿过第二偏转部210中的第二孔236设置的销元件，但是第二止动元件238可以以其他方式部分地设置在第二通道226内，包括旋拧第二止动元件238穿过第二孔236，将第二止动元件238焊接、粘合或铆固到第二偏转部210等。同样地，在一个示例中，第二止动元件可以类似地设置在中心梁部211的孔内，或者通过焊接、粘合、铆固等在沿着第二通道226的任何位置处固定到中心梁部211。

第二止动元件238位于梁202的负荷部206附近。通过将第二止动元件238定位在梁202的负荷部206附近，由第二止动元件238在最大力矩发生的位置处提供支撑，从而最大化支撑。尽管如此，虽然第二止动元件238被示出为延伸到与梁202的负荷部206相邻的第二通道226中，为了便于制造，第二止动元件238可以沿着第二通道226部分地设置在任何位置，以向第二偏转部210提供支撑。在另一替代实施例中，再次，为了便于制造，第二止动元件238可以接收在中心梁部211的孔(未示出)内，或者类似地通过焊接、粘合、铆固等附接到中心梁部211，这导致第二止动元件238部分地设置在第二通道226内。在替代实施例中，第二止动元件238位于便于制造的位置。

通过利用与第二止动元件238相关联的第二孔236，第二止动元件238可以在距离中心梁部211预定距离处被调节或定位在第二通道226中。以这种方式，取决于荷重单元200的材料的屈服条件，第二止动元件238可以定位成当荷重单元200上发生超载状况时防止第二偏转部210内的屈服条件。具体地，当负荷在与第一方向相对的第二方向上横向于负荷部206呈现在负荷部206上时，第二止动元件238与第二偏转部208一起从第一位置移动(图2A)并且当负荷超过阈值负荷时，第二止动元件的支承表面246在第二位置(图2C)接合中心梁部211。因此，第二止动元件238防止第二偏转部210穿过第二通道226的额外移动。因此，通过调节第二止动元件238在第二通道226a内的位置，使用者可以限制第二偏转部210的移动，以防止在超载状况期间第二偏转部210上的屈服条件。

在一个示例中，可以计算导致材料的屈服条件所需的力的量，并且可以定位第二止动元件238以防止在超载状况期间的屈服条件，例如荷重单元的跌落状况。在一个示例中，该计算出的力是阈值负荷，使得低于阈值负荷，第二止动元件238的支承表面246不接合中心梁部211，并且高于阈值负荷，第二止动元件238接合中心梁部211。替代地，阈值负荷是应变仪218中的至少一个损坏或发生故障的负荷。替代地，第二止动元件238可以通过调节第二止动元件238的极限负荷和位置来定制设定以接合中心梁部211。以这种方式，解决了相同负荷的机械尺寸变化，包括偏转变化。

第三孔240穿过梁202的负荷部206设置并接收第三止动元件242，第三止动元件242穿过第三通道228设置并固定在中心梁部211内。在一个示例中，第三止动元件242是销元件，其包括头部元件247，头部元件247形成用于接合负荷部206的支承表面248。虽然在示例中，第三止动元件242被示出为穿过负荷部206中的第三孔240设置以穿过第三通道228并进入中心梁部211的销元件，但第三止动元件242可以以其他方式固定到中心梁部211，包括将第三止动元件242旋拧到中心梁部211中，将第三止动元件242压配合、胶合、粘合、或铆固到中心梁部211，等等。

当第三止动元件242在卸载状况或第一位置(图4A和图4B)中设置在第三孔240内时，在头部元件247的支承表面248与负荷部206之间形成间隙250。以这种方式，当负荷部206在第一方向上接收负荷时，负荷部206相对于第三止动元件242移动。当达到阈值负荷时，头部元件247的支承表面248接合负荷部，使得头部元件247，并且因此第三止动元件242和中心梁部211支撑或抵抗负荷部206在第二位置(图4C)的额外运动。似地，当负荷部206在与第一方向相对的第二方向上接收负荷时，负荷部206相对于第三止动元件242移动。当达到阈值负荷时，头部元件247的支承表面248接合负荷部，使得头部元件247，并且因此第三止动元件242和中心梁部211支撑或抵抗负荷部206在第三位置(图4D)的额外运动。以这种方式，第三止动元件242在第一方向和第二方向上或双向地提供补充支撑或力，以防止由于超载状况造成达到屈服条件而损坏荷重单元。

在一个示例中，可以计算导致材料的屈服条件所需的力的量，并且可以定位第三止动元件242以防止在超载状况期间的屈服条件，例如荷重单元的跌落状况。在一个示例中，该计算出的力是阈值负荷，使得低于阈值负荷，第三止动元件242的支承表面248不接合中心梁部211，并且高于阈值负荷，第三止动元件242接合负荷部206。替代地，阈值负荷是应变仪218中的至少一个损坏或发生故障的负荷。替代地，第三止动元件242可以通过调节第三止动元件242的极限负荷和位置来定制设定以接合中心梁部211。以这种方式，解决了相同负荷的机械尺寸变化，包括偏转变化。

同样地，在一个示例中，第三止动元件可以通过压配合、胶合、粘合、铆固等类似地设置在中心梁部211的孔内和/或在沿着第三通道228的任何位置固定到负荷部206。

图4A-4D示出了接收负荷部206内的第三止动元件242的第三孔240的示例性实施例的局部视图。在该示例性实施例中，第三孔240包括锥形部252，并且第三止动元件242的头部元件247的支承表面248类似地具有对应的锥形部254。由于孔的锥形部分254和/或锥形部分252，轴承表面248和负荷部206之间的间隙250的尺寸可以通过使第三止动元件移动通过第三孔240来调节。因此，可以确定第一偏转部208和第二偏转部210的材料的屈服条件，并且可以通过第三止动元件242在第三孔240内的移动来调节间隙250的尺寸以，提供第三止动元件242的补充支撑，从而防止第一偏转部208或第二偏转部210到达屈服条件。

虽然图2A-4D的示例性实施例示出了利用第一止动元件234、第二止动元件238和第三止动元件242作为第一偏转部208或第二偏转部的附加支撑的荷重单元200，但在其他实施例中，仅使用止动元件234、238或242中的一个。在其他实施例中，三个止动元件234和238、234和242？中的仅两个，或238和242用于提供额外的支撑。另外，止动元件234、238和/或242可以由与第一偏转部208、第二偏转部210和/或中心梁部211相同的材料制成，或者由与第一偏转部208、第二偏转部210、和/或中心梁部211不同的材料制成，从而为偏转部208、210提供额外的补充支撑。

图5A-5C示出了又一示例性荷重单元500，其在一个示例中是图1的荷重单元104。在该示例中，类似于图2A-4D的荷重单元，荷重单元500是剪切梁荷重单元。荷重单元500包括梁或本体502、固定部504、可移动负荷部506、第一可移动偏转部508、第二可移动偏转部510、以及中心梁部511。

梁502从固定部504延伸到负荷部506。在该实施例中，固定部504包括用于固定到支架或装置的开口505。在一个实施例中，开口505用于将荷重单元500固定到固定健身车的支架。类似地，在该实施例中，负荷部506类似地包括用于附接到支架或装置的开口507，在一个示例中包括固定健身车的支架。

第一偏转部508和第二偏转部510以平行间隔关系从固定部504延伸，并且延伸到负荷部506。第一偏转部508和第二偏转部510中的每一个包括弧形部分512、513、514和515，其沿着每个部分508、510提供薄的或减小的宽度。在该实施例中，至少一个应变仪516设置在梁502内。在图5A-5C的实施例中，使用了四个应变仪516，它们作为惠斯通电桥电路彼此电连接。在其他示例中，仅使用半惠斯通电桥布置中的两个应变仪516，或四分之一惠斯通电桥布置中的单个应变仪516。在该实施例中，示出了向惠斯通电桥提供恒定电压的电源线517。

中心梁部511以第一偏转部508和第二偏转部510之间的平行间隔关系从梁502的固定部504延伸到负荷部506。以这种方式，第一通道524形成在第一偏转部508和中心梁部511之间，第二通道526形成在第二偏转部510和中心梁部511之间。类似地，第三通道528形成在中心梁部511和负荷部506之间，并且与第一通道524和第二通道526连通。具体地，第一通道524和第二通道526以平行间隔关系延伸，而第三通道528在第一通道524和第二通道526之间横向于第一通道524和第二通道526延伸。因此，第一偏转部508可以相对于中心梁部511移动穿过第一通道524，并且第二偏转部510可以相对于中心梁部511移动穿过第二通道526。

在图5A-5C的示例中，类似于图2A-4D的示例性实施例，提供了超载保护系统530。超载保护系统530包括第一止动元件534、第二止动元件(未示出)和第三止动元件542。每个都以与先前描述的类似方式操作，以为荷重单元500提供超载保护。

图6示出了惠斯通电桥电路600，其在一个示例中是图2A-4D的荷重单元200的应变仪216和图5A-5C的荷重单元500的应变仪516的数字输出布置。如所提供的，惠斯通电桥电路600可包括四个电阻元件602和向电桥提供恒定电压的电源604。这些电阻器相对于彼此的运动导致电压电位的可测量的变化，该变化与引起运动的负荷成正比。以这种方式测量负荷。

图7示出了根据本文描述的实施例中的至少一个的利用荷重单元702的系统700。在一个实施例中，荷重单元702是图2A-4D的荷重单元200，而在另一个实施例中是图5A-5C的荷重单元500。系统700是健身车，包括框架704、座椅706、踏板708、飞轮710、制动系统712、手柄杆714和具有显示器718的CPU 716。

在该示例中，制动系统712是涡流制动系统，其包括利用飞轮710的任一侧上的磁体720的涡流制动器。当飞轮在磁体之间旋转时，形成涡电流，使得磁体720之间的距离确定飞轮710上的电阻。荷重单元702放置在支架上，使得磁铁720的移动将负荷置于荷重单元702的负荷部上。该负荷由荷重单元702测量并传送到CPU 716或通信装置，以监控骑车者输入的动力。通过利用包含止动元件的荷重单元702进行超载保护，如果在制造、运输、客户操作等期间，荷重单元由于操作人员使荷重单元跌落、撞到自行车、撞击荷重单元等而遭遇超载状况，则(多个)止动元件提供机械安全止动，防止荷重单元到达屈服条件。即使荷重单元的材料容易弯曲和损坏也是如此。

总之，所公开的荷重单元104、200、500、702的机械止动元件234、238、242、534、542是便廉价的并且增加了最小的制造要求，同时在相对无成本的情况下提供了附加的安全措施。因此，提供了具有增强的超载保护的改进的荷重单元104、200、500、702。因此，几乎不增加成本或制造时间的情况下，减少了损坏、故障和更换。因此，至少解决了所描述的所有问题。

应该理解的是，以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。另外，在不脱离其范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。本文描述的尺寸、材料类型、各种部件的取向、以及各种部件的数量和位置旨在限定某些实施例的参数，并且绝不是限制性的，并且仅仅是示例性实施例。在阅读以上描述后，在权利要求的理念和范围内的许多其他实施例和修改对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应该参照所附的权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“在其中”的纯英语等同物。此外，在随附的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并且并非旨在对其对象施加数字要求。此外，所附权利要求的限制不是以手段加功能(means-plus-function)格式撰写的，并且并非旨在基于35U.S.C.§112(f)，除非并且直到这样的权利要求限制明确地使用短语“用于……的装置”，然后是功能陈述，而没有进一步的结构。