專利名稱：用于獲取推力元件上的機械載荷的設備和方法
技術領域：
本發明涉及用于獲取推力元件上的機械載荷的設備、用于獲取推力元件上的機械載荷的方法以及具有帶推力元件的襟翼調節系統的飛行器，利用根據本發明的設備獲取該推力元件的機械載荷。
背景技術：
現有技術中存在多種用于獲取組件上的機械載荷的設備和方法。一種特別普遍的方法涉及獲取相應的組件的膨脹，在知道諸如所使用的材料的彈性模量之類的機械特性的情況下，該方法可以用于計算上升力。使用所謂的膨脹測量條帶(“DMS”)獲取膨脹量，該膨脹測量條帶由薄載體膜中的曲折的測量柵格組成，相應的組件粘接結合在該膨脹測量條帶上并且之后經受電阻測量。膨脹測量條帶的電阻取決于其膨脹量，即，在膨脹過程中電阻增加，并且在壓縮過程中電阻降低。根據膨脹測量條帶的設計，存在或多或少的對溫度的相關性。在給定膨脹測量條帶上的靜載荷的情況下，能夠注意到電阻隨著時間的推移而緩慢變化，盡管組件膨脹是恒定的。如下事實可以解釋這一點膨脹的測量柵格與被加載的彈簧類似地作用，這允許在測量柵格與載體膜之間產生剪應力。這些應力導致膨脹測量條帶中的塑料和粘合劑的松弛，這種松弛優選地出現在測量柵格的反轉點處。此外，在給定非線性載荷的情況下，必須注意特定的橫向靈敏度，并且膨脹測量條帶和所使用的粘合劑都對濕度敏感，從而使得在測量期間不能夠實現恒定的精度，特別是當在變化較大的環境條件中使用膨脹測量條帶時，尤為如此。在傳統的商業飛行器的襟翼調節運動系中，特別是在具有推力元件的高升力系統中，通常不測量機械載荷。目前，主要使用過載開關，該過載開關保護使襟翼調節運動系移動的致動器，防止其過載。DE 10326799 B3公開了現有技術中的機械錯誤能夠導致襟翼調節設備的部件的過載或不期望的表現，例如，導致襟翼元件不對稱啟動。為此，當檢測到這種錯誤時，基本上關閉整個設備，并且通過制動裝置將其鎖定在它們的當前位置。該方法的缺點在于，如果存在錯誤，與降落襟翼相關聯的功能將完全喪失。DE 10004384 C2示出了如下布置和方法對應用于特別地由金屬、塑料或陶瓷制成的載體的遮蓋層，使用光學傳感器獲取膨脹量和溫度及其變化。此處具體說明的現有技術提到了目前主要通過膨脹測量條帶(“DMS”)確定膨脹量。
發明內容
為了確定作用在本體上的機械載荷，例如，飛行器上的襟翼的調節運動系內的推力元件上的 機械載荷，在原位確定本體的膨脹量將是有利的。然而，由于其推力元件經歷非常動態地變化的環境條件一包括可變的環境壓力、可變的溫度、可變的大氣濕度等，特別地，在涉及調節運動系的示例中，膨脹測量條帶的使用將不允許特別高的精度水平。此外，利用基于DMS的傳感器進行的測量要求一般處于mA范圍內的高電流，由此需要高的能量消耗。因此，本發明的目的是提出能夠以非常高的精度水平在原位進行本體膨脹的測量的設備，從而使得能夠確定本體上的精確的機械載荷。本發明的另一目的是提出具有盡可能低的能耗的設備。通過具有獨立權利要求I中的特征的用于確定被機械加載的本體上的機械載荷的設備實現了本發明的目的。在從屬權利要求中能夠發現另外的有利改進。“被機械加載的本體“這一表述此處必須理解為意指任何類型的被機械加載的部件都能夠基本經受利用根據本發明的設備進行的膨脹測量，因此本體的幾何構型變得不重要。要檢查的本體此處可以經受軸向力、橫向力或者這些力的組合。根據本發明的設備能夠用于在機械載荷下經歷膨脹的任何本體。在本發明的第一方面中，設備具有能夠共振的微橋結構、具有可變頻率的交變電壓源、用于獲取微橋結構的阻抗的阻抗測量裝置、以及電子裝置，該電子裝置用于接收所確定的阻抗測量裝置的阻抗值以及用于改變交變電壓源的頻率。交變電壓源與微橋結構相連接，以產生微橋結構的振蕩。微橋結構被用來應用于待觀察的本體，并且在作用于本體的力方面，本體與力的期望方向對齊，以允許在力的該方向上進行膨脹測量。為了確定多個方向上的機械載荷，可以使用能夠在力的各個方向上執行膨脹測量的多個微橋結構。微橋結構被認為是兩邊夾持的梁結構，其包括載體層和至少一個活性層。例如，載體層能夠由氮化硅制成，同時活性層可以由壓電材料構成，優選地由氮化鋁(AlN)制成，例如，形成Al-AlN-Al布置。活性層可以實現為薄膜的形式。由于壓電特性，微橋結構當被移動時產生電荷或電壓，或者當被施加電壓時進行移動。當用由微橋結構的幾何特性和所涉及的材料的機械特性預先確定的共振頻率激勵微橋結構時，微橋結構開始執行特有的共振振蕩。根據本發明的設備的基本的先決條件是當梁膨脹時，振蕩的梁結構的共振頻率增加，與吉他弦的膨脹所伴隨的弦的音調的變化相比擬。共振頻率的該轉變與小的偏轉下梁的膨脹呈線性關系，并且因此充當膨脹ε的度量。共振頻率的變化的靈敏性本身能夠通過梁的幾何形狀容易地進行調節。實施所描述的梁結構的壓電振蕩器包括可測量的與頻率相關的阻抗，越接近共振頻率該阻抗越大，并且在共振頻率時達到峰值。微橋結構與交變電壓源相連接，以由微橋結構激勵振蕩。如果激勵的電壓的頻率對應于微橋結構的共振頻率，則微橋結構進行共振振蕩。根據本發明，在激勵的振蕩給定時，能夠確定微橋結構的阻抗，并且該阻抗充當用于共振的轉變的適當的測量變量。一旦達到共振頻率，阻抗則最大，而如果激勵的電壓頻率與共振頻率存在偏差，以及處于低于或者高于共振頻率的水平時，阻抗降低。目標是通過阻抗測量確定與微橋結構的膨脹相關的共振頻率，或者確定與共振頻率的偏差，以便繼而能夠從共振頻率或從與共振頻率的偏差確定微橋結構的膨脹，從而使得可以得出關于微橋結構所布置在其上的部件的上升的縱向力的結論。與膨脹測量條帶相比，這種設備的精度非常高，特別地，沒有遇到滯后效果。 在本發明的有利的實施方式中，在未被加載組件給定時將會出現的未被加載的參考狀態下，電子單元能夠在共振頻率附近的預定范圍內連續地瀏覽激勵交變電壓的可變頻率。同時，電子元件能夠在該范圍內瀏覽頻率的同時獲取并且對比一系列的阻抗值。與當前膨脹相關的微橋結構的共振頻率必須分配給確定出最高阻抗時的電壓的頻率。由于能夠足夠精確地確定或計算參考狀態下的中間共振頻率，所以可以瀏覽足夠大的選定頻率范圍以確定微橋結構的當前共振頻率。在穿過的頻率的足夠小的分區或者迭代逼近的情況下，例如在牛頓迭代過程中，能夠如所希望的那樣精確地確定當前共振頻率，即，最大阻抗頻率，進而允許當前的膨脹以及因此承載微橋結構的本體上的當前載荷的精確測量。
一種可想象的替代方式是測量值的獲取，其中，在給定的頻率下——理想地在共振頻率附近的上升側或者下降側的范圍內——確定阻抗，并且當機械載荷上升時確定相對于先前確定的值的阻抗變化。然后可以以使所確定的阻抗差消失的方式調節用于激勵電壓的頻率，由此再次到達初始確定的阻抗值。在有利的實施方式中，設備附加地包括第二微橋結構，該第二微橋結構相對于第一微橋結構以90°角布置。第二微橋結構也與具有可變頻率的交變電壓源相連接，并且與用于接收所確定的阻抗值并且改變交變電壓源的頻率的電子單元相連接。假定例如由純軸向力導致本體上的高度定向的機械載荷，由于兩個微橋相對于彼此成90°角的布置，所以第二微橋結構獨立于被檢查的本體上的機械載荷，但是確實表現出與溫度相關的膨脹。由于第一微橋結構和第二微橋結構經受相同的與溫度相關的膨脹，所以所確定的第二微橋結構的與溫度相關的膨脹能夠用來在計算上補償第一微橋結構的與溫度相關的膨脹。這使得可以更加精確地確定本體的膨脹。在本發明的有利的實施方式中，電子單元能夠將包含激勵交變電壓的頻率、測量的阻抗和伴隨的膨脹之間的相關關系的查詢表存儲在電子單元中。因此，在知道激勵電壓的頻率、微橋結構的阻抗以及諸如溫度之類的影響測量的環境參數的情況下，電子單元能夠從該查詢表中讀出伴隨的膨脹，或者通過進行插值計算而得出伴隨的膨脹。以這種方式，本體的膨脹變得特別容易確定，而無須確定共振頻率。能夠通過實驗性研究編制伴隨的查詢表。當然,還能夠將幾個微橋結構與僅僅單個電子單元相連接。該電子單元能夠使所有的微橋結構單獨地或者順序地經受阻抗測量，其中，同時進行的測量應當允許電子單元供給多個交變電壓，或者允許電子單元致動與平行的阻抗測量相聯系的多個交變電壓源。還能夠通過用于獲取被機械加載的本體上的機械載荷的方法滿足該目的。根據本發明的方法中的主要步驟涉及用預先確定頻率下的交變電壓激勵布置在本體上的能夠共振的微橋結構，測量微橋結構的阻抗，以及確定作為測得的阻抗和激勵交變電壓的頻率的函數的膨脹。如果本體的材料特性是已知的，則能夠使用所確定的膨脹確定本體上的機械載荷。如上文中已經描述的，根據本發明的方法的有利的實施方式能夠涉及在微橋處于參考狀態的情況下瀏覽共振頻率附近的預定頻率范圍，并且連續地確定阻抗值。阻抗最高時的頻率能夠被視作共振，從而使得與峰值阻抗相關的激勵電壓的頻率將被理解為共振頻率。如果該共振頻率是已知的，則能夠確定微橋結構的膨脹，這樣最終使得可以計算本體上的機械載荷。以類似的方式，根據本發明的方法能夠包括從如上文中所詳細描述的查詢表讀取膨脹量的步驟。在有利的實施方式中，通過確定處于90°布置的第二微橋結構的溫度導致的膨脹并且然后減去監控推力元件的微橋結構的所確定的膨脹來抵消溫度影響。在根據本發明的設備和根據本發明的方法中，對于確定膨脹來說，在載荷變化給定的情況下校正激勵交變電壓的頻率以使阻抗保持恒定是有利的。為此所必需的頻率變化能夠用來基于上文中所提及的方法確定膨脹的變化。最后，還可以通過具有襟翼調節運動系的飛行器實現該目的，該襟翼調節運動系 具有至少主要沿軸向被加載的推力元件，微橋結構布置在該推力元件上。根據本發明的設備特別適合于監控這種推力元件，因為微橋結構在很大程度上不受環境的影響，并且沒有表現出滯后效果。通過將第二微橋結構相對于第一微橋結構以90°角布置，能夠確定并且在計算上補償所確定的膨脹中的與溫度相關的波動。
從示例性實施方式和附圖的下列說明中，可以得知本發明的另外的特征、優點和可能的應用。不管是分別地還是以組合的方式給出的，此處所描述的和/或在圖中圖示的所有特征都構成本發明的主題，并且與這些特征在各個權利要求中或者在權利要求的回溯引用中是如何構成的無關。此外，附圖中相同的附圖標記不是相同或相似的對象。圖Ia和Ib示出了微橋結構的俯視圖和側視圖。圖2示出了膨脹與共振頻率之間的相關關系。圖3定性地圖示了作為振蕩模式序列的函數的可想象的峰值膨脹。圖4示出了根據本發明的設備的簡圖。圖5示出了根據本發明的方法的框圖。圖6示出了具有推力元件的襟翼調節運動系的飛行器，該襟翼調節運動系配備有根據本發明的裝置。
具體實施例方式圖Ia和Ib示出了待檢查的部件或本體2，在其上布置有具有固定層6的介電層4，其中，固定層6能夠配備有凹入結構8，例如溝槽。能夠使用例如能夠進行特別精確的加工的傳統的干式或濕式化學刻蝕技術制造該凹入結構。固定層6可以例如由硅制成。固定層6支承載體層10，第一電極12、第二電極13和布置在第一電極12與第二電極13之間的活性層14位于該載體層10上。活性層14由壓電材料制成，優選地由氮化鋁(AlN)制成。當經由第一電極12和第二電極13被激勵時，該微橋結構16能夠通過交變電壓源執行振蕩。如果交變電壓源的頻率對應于由經受膨脹的幾何尺寸確定的微橋結構16的共振頻率，那么微橋結構16進行共振振蕩。在圖Ib的截面圖中示出的活性層14——在所示的形式中也可以稱為梁元件——能夠朝向凹入結構8或者背離凹入結構8振蕩。如在假定梁結構為矩形橫截面的情況下由下列方程能夠分析地確定的，此處的共振頻率取決于微橋結構16的當前的膨脹
權利要求
1.一種用于獲取本體(2,24)上的機械載荷的設備,包括 -能夠共振的微橋結構(16)， -具有可變頻率的交變電壓源(22)， -用于確定所述微橋結構(16)的阻抗的阻抗測量裝置(18)，以及 -電子單元(20)，所述電子單元(20)用于接收所確定的阻抗值并且改變所述交變電壓源(22)的頻率， 其中，所述交變電壓源(22)與所述微橋結構(16)相連接，以激勵所述微橋結構(16)的振蕩，并且 其中，所述電子單元(20)設置成從測得的阻抗和經調節的所述交變電壓源(22)的頻率確定所述微橋結構(16)的膨脹。
2.根據權利要求I所述的設備，其中，所述微橋結構(16)能夠固定于本體(2，24)，并且所述電子單元(20)設置成從所獲取的膨脹和所述本體(2，24)的已知材料特性確定作用在所述本體(2，24)上的力。
3.根據權利要求I所述的設備，其中，所述電子單元(20)設置成在所述本體(2，24)未被加載的情況下將出現的未被加載的參考狀態下，在共振頻率附近的預定范圍內連續地瀏覽所述交變電壓源(22)的頻率，同時連續地獲取測得的阻抗值。
4.根據權利要求I所述的設備，其中，所述電子單元(20)設置成通過迭代的方式將所述交變電壓源(22)的頻率改變至測得的阻抗到達峰值時的頻率。
5.根據權利要求I所述的設備，其中，所述電子單元(20)設置成獲取在不處于共振導致的峰值的指定頻率下的阻抗。
6.根據權利要求I所述的裝置，其中，所述電子單元(20)設置成校正所述交變電壓源(22)的頻率以使阻抗保持恒定，并且從頻率變化確定所述本體(2，24)上的載荷變化。
7.根據權利要求I所述的裝置，還具有第二微橋結構，所述第二微橋結構相對于所述微橋結構(16)偏置90°地布置在所述本體(2，24)上。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中，所述電子單元(20)設置成從所述第二微橋結構中的溫度漂移考慮所述微橋結構(16)中的溫度漂移。
9.根據權利要求I所述的裝置，其中，能夠從存儲在所述電子單元(20)中的將所述膨脹、所述交變電壓源的頻率、以及阻抗進行對照的查詢表獲得所述膨脹。
10.一種用于獲取本體(2，24)上的機械載荷的方法，包括如下步驟 -通過具有可變頻率的交變電壓源(22)激勵(28)能夠共振的微橋結構(16)， -在所述微橋結構(16)處于未被加載的狀態的情況下確定(30)所述共振頻率附近的阻抗譜，以及 -從測得的阻抗和所述交變電壓源(22)的設定頻率確定(32)所述微橋結構(16)的膨脹。
11.一種飛行器(42)，包括 -至少一個可調控制表面和具有至少一個推力元件(24)的調節運動系(44)， -布置在所述推力元件上的能夠共振的微橋結構(16)， -具有可變頻率的交變電壓源(22)， -用于獲取所述微橋結構(16)的阻抗的阻抗測量裝置(18)，以及-電子單元(20)，所述電子單元(20)用于接收所確定的阻抗值并且改變所述交變電壓源(22)的頻率， 其中，所述交變電壓源(22)與所述微橋結構(16)相連接，以激勵所述微橋結構(16)的振蕩 ，并且 其中，所述電子單元(20)設置成從測得的阻抗和經調節的所述交變電壓源(22)的頻率確定所述微橋結構(16)的膨脹、并因此確定所述推力元件(24)的膨脹。
全文摘要
一種用于獲取被機械加載的本體上的機械載荷的裝置，具有能夠共振的微橋結構(16)、具有可變頻率的交變電壓源(22)、用于獲取微橋結構(16)的阻抗的阻抗測量裝置(18)、以及用于接收所確定的阻抗值并且改變交變電壓源(22)的頻率的電子單元(20)。通過激勵微橋結構(16)并且測量其阻抗，能夠得出關于與膨脹相關的共振頻率的結論，這繼而使得可以確定膨脹并且因此可以確定機械載荷。這種裝置足夠精確并且在很大程度上不受外部影響。
文檔編號G01B7/16GK102947669SQ201180031302
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月20日 優先權日2010年6月23日
發明者托馬斯·貝克爾, 馬丁·克盧格, 邁克爾·施奈德, 烏爾里希·施密德, 阿希姆·比特內 申請人:空中客車德國運營有限責任公司