专利名称：用于获取推力元件上的机械载荷的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于获取推力元件上的机械载荷的设备、用于获取推力元件上的机械载荷的方法以及具有带推力元件的襟翼调节系统的飞行器，利用根据本发明的设备获取该推力元件的机械载荷。
背景技术：
现有技术中存在多种用于获取组件上的机械载荷的设备和方法。一种特别普遍的方法涉及获取相应的组件的膨胀，在知道诸如所使用的材料的弹性模量之类的机械特性的情况下，该方法可以用于计算上升力。使用所谓的膨胀测量条带(“DMS”)获取膨胀量，该膨胀测量条带由薄载体膜中的曲折的测量栅格组成，相应的组件粘接结合在该膨胀测量条带上并且之后经受电阻测量。膨胀测量条带的电阻取决于其膨胀量，即，在膨胀过程中电阻增加，并且在压缩过程中电阻降低。根据膨胀测量条带的设计，存在或多或少的对温度的相关性。在给定膨胀测量条带上的静载荷的情况下，能够注意到电阻随着时间的推移而缓慢变化，尽管组件膨胀是恒定的。如下事实可以解释这一点膨胀的测量栅格与被加载的弹簧类似地作用，这允许在测量栅格与载体膜之间产生剪应力。这些应力导致膨胀测量条带中的塑料和粘合剂的松弛，这种松弛优选地出现在测量栅格的反转点处。此外，在给定非线性载荷的情况下，必须注意特定的横向灵敏度，并且膨胀测量条带和所使用的粘合剂都对湿度敏感，从而使得在测量期间不能够实现恒定的精度，特别是当在变化较大的环境条件中使用膨胀测量条带时，尤为如此。在传统的商业飞行器的襟翼调节运动系中，特别是在具有推力元件的高升力系统中，通常不测量机械载荷。目前，主要使用过载开关，该过载开关保护使襟翼调节运动系移动的致动器，防止其过载。DE 10326799 B3公开了现有技术中的机械错误能够导致襟翼调节设备的部件的过载或不期望的表现，例如，导致襟翼元件不对称启动。为此，当检测到这种错误时，基本上关闭整个设备，并且通过制动装置将其锁定在它们的当前位置。该方法的缺点在于，如果存在错误，与降落襟翼相关联的功能将完全丧失。DE 10004384 C2示出了如下布置和方法对应用于特别地由金属、塑料或陶瓷制成的载体的遮盖层，使用光学传感器获取膨胀量和温度及其变化。此处具体说明的现有技术提到了目前主要通过膨胀测量条带(“DMS”)确定膨胀量。
发明内容
为了确定作用在本体上的机械载荷，例如，飞行器上的襟翼的调节运动系内的推力元件上的 机械载荷，在原位确定本体的膨胀量将是有利的。然而，由于其推力元件经历非常动态地变化的环境条件一包括可变的环境压力、可变的温度、可变的大气湿度等，特别地，在涉及调节运动系的示例中，膨胀测量条带的使用将不允许特别高的精度水平。此外，利用基于DMS的传感器进行的测量要求一般处于mA范围内的高电流，由此需要高的能量消耗。因此，本发明的目的是提出能够以非常高的精度水平在原位进行本体膨胀的测量的设备，从而使得能够确定本体上的精确的机械载荷。本发明的另一目的是提出具有尽可能低的能耗的设备。通过具有独立权利要求I中的特征的用于确定被机械加载的本体上的机械载荷的设备实现了本发明的目的。在从属权利要求中能够发现另外的有利改进。“被机械加载的本体“这一表述此处必须理解为意指任何类型的被机械加载的部件都能够基本经受利用根据本发明的设备进行的膨胀测量，因此本体的几何构型变得不重要。要检查的本体此处可以经受轴向力、横向力或者这些力的组合。根据本发明的设备能够用于在机械载荷下经历膨胀的任何本体。在本发明的第一方面中，设备具有能够共振的微桥结构、具有可变频率的交变电压源、用于获取微桥结构的阻抗的阻抗测量装置、以及电子装置，该电子装置用于接收所确定的阻抗测量装置的阻抗值以及用于改变交变电压源的频率。交变电压源与微桥结构相连接，以产生微桥结构的振荡。微桥结构被用来应用于待观察的本体，并且在作用于本体的力方面，本体与力的期望方向对齐，以允许在力的该方向上进行膨胀测量。为了确定多个方向上的机械载荷，可以使用能够在力的各个方向上执行膨胀测量的多个微桥结构。微桥结构被认为是两边夹持的梁结构，其包括载体层和至少一个活性层。例如，载体层能够由氮化硅制成，同时活性层可以由压电材料构成，优选地由氮化铝(AlN)制成，例如，形成Al-AlN-Al布置。活性层可以实现为薄膜的形式。由于压电特性，微桥结构当被移动时产生电荷或电压，或者当被施加电压时进行移动。当用由微桥结构的几何特性和所涉及的材料的机械特性预先确定的共振频率激励微桥结构时，微桥结构开始执行特有的共振振荡。根据本发明的设备的基本的先决条件是当梁膨胀时，振荡的梁结构的共振频率增加，与吉他弦的膨胀所伴随的弦的音调的变化相比拟。共振频率的该转变与小的偏转下梁的膨胀呈线性关系，并且因此充当膨胀ε的度量。共振频率的变化的灵敏性本身能够通过梁的几何形状容易地进行调节。实施所描述的梁结构的压电振荡器包括可测量的与频率相关的阻抗，越接近共振频率该阻抗越大，并且在共振频率时达到峰值。微桥结构与交变电压源相连接，以由微桥结构激励振荡。如果激励的电压的频率对应于微桥结构的共振频率，则微桥结构进行共振振荡。根据本发明，在激励的振荡给定时，能够确定微桥结构的阻抗，并且该阻抗充当用于共振的转变的适当的测量变量。一旦达到共振频率，阻抗则最大，而如果激励的电压频率与共振频率存在偏差，以及处于低于或者高于共振频率的水平时，阻抗降低。目标是通过阻抗测量确定与微桥结构的膨胀相关的共振频率，或者确定与共振频率的偏差，以便继而能够从共振频率或从与共振频率的偏差确定微桥结构的膨胀，从而使得可以得出关于微桥结构所布置在其上的部件的上升的纵向力的结论。与膨胀测量条带相比，这种设备的精度非常高，特别地，没有遇到滞后效果。 在本发明的有利的实施方式中，在未被加载组件给定时将会出现的未被加载的参考状态下，电子单元能够在共振频率附近的预定范围内连续地浏览激励交变电压的可变频率。同时，电子元件能够在该范围内浏览频率的同时获取并且对比一系列的阻抗值。与当前膨胀相关的微桥结构的共振频率必须分配给确定出最高阻抗时的电压的频率。由于能够足够精确地确定或计算参考状态下的中间共振频率，所以可以浏览足够大的选定频率范围以确定微桥结构的当前共振频率。在穿过的频率的足够小的分区或者迭代逼近的情况下，例如在牛顿迭代过程中，能够如所希望的那样精确地确定当前共振频率，即，最大阻抗频率，进而允许当前的膨胀以及因此承载微桥结构的本体上的当前载荷的精确测量。
一种可想象的替代方式是测量值的获�。渲校诟ǖ钠德氏隆硐氲卦诠舱衿德矢浇纳仙嗷蛘呦陆挡嗟姆段凇范ㄗ杩梗⑶业被翟睾缮仙比范ㄏ喽杂谙惹叭范ǖ闹档淖杩贡浠�。然后可以以使所确定的阻抗差消失的方式调节用于激励电压的频率，由此再次到达初始确定的阻抗值。在有利的实施方式中，设备附加地包括第二微桥结构，该第二微桥结构相对于第一微桥结构以90°角布置。第二微桥结构也与具有可变频率的交变电压源相连接，并且与用于接收所确定的阻抗值并且改变交变电压源的频率的电子单元相连接。假定例如由纯轴向力导致本体上的高度定向的机械载荷，由于两个微桥相对于彼此成90°角的布置，所以第二微桥结构独立于被检查的本体上的机械载荷，但是确实表现出与温度相关的膨胀。由于第一微桥结构和第二微桥结构经受相同的与温度相关的膨胀，所以所确定的第二微桥结构的与温度相关的膨胀能够用来在计算上补偿第一微桥结构的与温度相关的膨胀。这使得可以更加精确地确定本体的膨胀。在本发明的有利的实施方式中，电子单元能够将包含激励交变电压的频率、测量的阻抗和伴随的膨胀之间的相关关系的查询表存储在电子单元中。因此，在知道激励电压的频率、微桥结构的阻抗以及诸如温度之类的影响测量的环境参数的情况下，电子单元能够从该查询表中读出伴随的膨胀，或者通过进行插值计算而得出伴随的膨胀。以这种方式，本体的膨胀变得特别容易确定，而无须确定共振频率。能够通过实验性研究编制伴随的查询表。当然,还能够将几个微桥结构与仅仅单个电子单元相连接。该电子单元能够使所有的微桥结构单独地或者顺序地经受阻抗测量，其中，同时进行的测量应当允许电子单元供给多个交变电压，或者允许电子单元致动与平行的阻抗测量相联系的多个交变电压源。还能够通过用于获取被机械加载的本体上的机械载荷的方法满足该目的。根据本发明的方法中的主要步骤涉及用预先确定频率下的交变电压激励布置在本体上的能够共振的微桥结构，测量微桥结构的阻抗，以及确定作为测得的阻抗和激励交变电压的频率的函数的膨胀。如果本体的材料特性是已知的，则能够使用所确定的膨胀确定本体上的机械载荷。如上文中已经描述的，根据本发明的方法的有利的实施方式能够涉及在微桥处于参考状态的情况下浏览共振频率附近的预定频率范围，并且连续地确定阻抗值。阻抗最高时的频率能够被视作共振，从而使得与峰值阻抗相关的激励电压的频率将被理解为共振频率。如果该共振频率是已知的，则能够确定微桥结构的膨胀，这样最终使得可以计算本体上的机械载荷。以类似的方式，根据本发明的方法能够包括从如上文中所详细描述的查询表读取膨胀量的步骤。在有利的实施方式中，通过确定处于90°布置的第二微桥结构的温度导致的膨胀并且然后减去监控推力元件的微桥结构的所确定的膨胀来抵消温度影响。在根据本发明的设备和根据本发明的方法中，对于确定膨胀来说，在载荷变化给定的情况下校正激励交变电压的频率以使阻抗保持恒定是有利的。为此所必需的频率变化能够用来基于上文中所提及的方法确定膨胀的变化。最后，还可以通过具有襟翼调节运动系的飞行器实现该目的，该襟翼调节运动系 具有至少主要沿轴向被加载的推力元件，微桥结构布置在该推力元件上。根据本发明的设备特别适合于监控这种推力元件，因为微桥结构在很大程度上不受环境的影响，并且没有表现出滞后效果。通过将第二微桥结构相对于第一微桥结构以90°角布置，能够确定并且在计算上补偿所确定的膨胀中的与温度相关的波动。
从示例性实施方式和附图的下列说明中，可以得知本发明的另外的特征、优点和可能的应用。不管是分别地还是以组合的方式给出的，此处所描述的和/或在图中图示的所有特征都构成本发明的主题，并且与这些特征在各个权利要求中或者在权利要求的回溯引用中是如何构成的无关。此外，附图中相同的附图标记不是相同或相似的对象。图Ia和Ib示出了微桥结构的俯视图和侧视图。图2示出了膨胀与共振频率之间的相关关系。图3定性地图示了作为振荡模式序列的函数的可想象的峰值膨胀。图4示出了根据本发明的设备的简图。图5示出了根据本发明的方法的框图。图6示出了具有推力元件的襟翼调节运动系的飞行器，该襟翼调节运动系配备有根据本发明的装置。
具体实施例方式图Ia和Ib示出了待检查的部件或本体2，在其上布置有具有固定层6的介电层4，其中，固定层6能够配备有凹入结构8，例如沟槽。能够使用例如能够进行特别精确的加工的传统的干式或湿式化学刻蚀技术制造该凹入结构。固定层6可以例如由硅制成。固定层6支承载体层10，第一电极12、第二电极13和布置在第一电极12与第二电极13之间的活性层14位于该载体层10上。活性层14由压电材料制成，优选地由氮化铝(AlN)制成。当经由第一电极12和第二电极13被激励时，该微桥结构16能够通过交变电压源执行振荡。如果交变电压源的频率对应于由经受膨胀的几何尺寸确定的微桥结构16的共振频率，那么微桥结构16进行共振振荡。在图Ib的截面图中示出的活性层14——在所示的形式中也可以称为梁元件——能够朝向凹入结构8或者背离凹入结构8振荡。如在假定梁结构为矩形横截面的情况下由下列方程能够分析地确定的，此处的共振频率取决于微桥结构16的当前的膨胀
权利要求
1.一种用于获取本体(2,24)上的机械载荷的设备,包括 -能够共振的微桥结构(16)， -具有可变频率的交变电压源(22)， -用于确定所述微桥结构(16)的阻抗的阻抗测量装置(18)，以及 -电子单元(20)，所述电子单元(20)用于接收所确定的阻抗值并且改变所述交变电压源(22)的频率， 其中，所述交变电压源(22)与所述微桥结构(16)相连接，以激励所述微桥结构(16)的振荡，并且 其中，所述电子单元(20)设置成从测得的阻抗和经调节的所述交变电压源(22)的频率确定所述微桥结构(16)的膨胀。
2.根据权利要求I所述的设备，其中，所述微桥结构(16)能够固定于本体(2，24)，并且所述电子单元(20)设置成从所获取的膨胀和所述本体(2，24)的已知材料特性确定作用在所述本体(2，24)上的力。
3.根据权利要求I所述的设备，其中，所述电子单元(20)设置成在所述本体(2，24)未被加载的情况下将出现的未被加载的参考状态下，在共振频率附近的预定范围内连续地浏览所述交变电压源(22)的频率，同时连续地获取测得的阻抗值。
4.根据权利要求I所述的设备，其中，所述电子单元(20)设置成通过迭代的方式将所述交变电压源(22)的频率改变至测得的阻抗到达峰值时的频率。
5.根据权利要求I所述的设备，其中，所述电子单元(20)设置成获取在不处于共振导致的峰值的指定频率下的阻抗。
6.根据权利要求I所述的装置，其中，所述电子单元(20)设置成校正所述交变电压源(22)的频率以使阻抗保持恒定，并且从频率变化确定所述本体(2，24)上的载荷变化。
7.根据权利要求I所述的装置，还具有第二微桥结构，所述第二微桥结构相对于所述微桥结构(16)偏置90°地布置在所述本体(2，24)上。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电子单元(20)设置成从所述第二微桥结构中的温度漂移考虑所述微桥结构(16)中的温度漂移。
9.根据权利要求I所述的装置，其中，能够从存储在所述电子单元(20)中的将所述膨胀、所述交变电压源的频率、以及阻抗进行对照的查询表获得所述膨胀。
10.一种用于获取本体(2，24)上的机械载荷的方法，包括如下步骤 -通过具有可变频率的交变电压源(22)激励(28)能够共振的微桥结构(16)， -在所述微桥结构(16)处于未被加载的状态的情况下确定(30)所述共振频率附近的阻抗谱，以及 -从测得的阻抗和所述交变电压源(22)的设定频率确定(32)所述微桥结构(16)的膨胀。
11.一种飞行器(42)，包括 -至少一个可调控制表面和具有至少一个推力元件(24)的调节运动系(44)， -布置在所述推力元件上的能够共振的微桥结构(16)， -具有可变频率的交变电压源(22)， -用于获取所述微桥结构(16)的阻抗的阻抗测量装置(18)，以及-电子单元(20)，所述电子单元(20)用于接收所确定的阻抗值并且改变所述交变电压源(22)的频率， 其中，所述交变电压源(22)与所述微桥结构(16)相连接，以激励所述微桥结构(16)的振荡 ，并且 其中，所述电子单元(20)设置成从测得的阻抗和经调节的所述交变电压源(22)的频率确定所述微桥结构(16)的膨胀、并因此确定所述推力元件(24)的膨胀。
全文摘要
一种用于获取被机械加载的本体上的机械载荷的装置，具有能够共振的微桥结构(16)、具有可变频率的交变电压源(22)、用于获取微桥结构(16)的阻抗的阻抗测量装置(18)、以及用于接收所确定的阻抗值并且改变交变电压源(22)的频率的电子单元(20)。通过激励微桥结构(16)并且测量其阻抗，能够得出关于与膨胀相关的共振频率的结论，这继而使得可以确定膨胀并且因此可以确定机械载荷。这种装置足够精确并且在很大程度上不受外部影响。
文档编号G01B7/16GK102947669SQ201180031302
公开日2013年2月27日 申请日期2011年6月20日 优先权日2010年6月23日
发明者托马斯·贝克尔, 马丁·克卢格, 迈克尔·施奈德, 乌尔里希·施密德, 阿希姆·比特内 申请人:空中客车德国运营有限责任公司
专业数控铣床产品供应商
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