小量程測力傳感器及其間接測量軸載荷的方法

2023-07-22 02:23:56 1

專利名稱：小量程測力傳感器及其間接測量軸載荷的方法
技術領域：
本發明涉及--種小量程測力傳感器及其間接測量軸載荷的方法。
背景技術：
傳統的軸載荷的測量一般均採用直接測量載荷的方式，如將軸做成軸式稱重傳 感器或將軸座作成稱重傳感器或將普通稱重傳感器安裝於軸座的下方來進行力值/重量 測量。但是，在某些特殊的軸載荷測量場合，往往由於受到位置、空間、安裝條件、使用工況 等外界因素的影響，或受到稱重傳感器自身結構和參數(如體積、外形、量程、精度等問 題)的限制，不能採用上述直接軸載荷的測量方法。例如在合金鋼的冶煉中，需要配料稱 重，該稱重是在高溫鋼水飛濺環境下測量鋼水重量的大小。如果將整根軸做成軸式傳感器， 則導致承載軸本身體積較大，加工、安裝很不方便，成本費用較高，而且降低軸本身的強度， 更換傳感器就需更換整根軸。同時傳感器暴露在外，要求防止飛濺的鋼水對其損傷。如果 採用軸座式傳感器，也是因量程太大，導致傳感器體積過大，沒有安裝的空間，況且在這種 使用環境下傳感器更換很不方便。怎樣才能對上述軸載荷進行有效測量，既保證測量精度， 又滿足特殊環境下的特殊要求，是一個待解決的難題。

發明內容
本發明的目的是針對已有技術中的問題，提供小量程測力傳感器及其間接測量軸 載荷的方法，用量程為幾十或幾百公斤的小型化小量程測力傳感器量來間接測量幾十噸甚 至上百噸的軸載荷,達到了四兩撥千斤的效果，既保證測量精度，又滿足特殊環境下的特殊 要求。 為實現上述目的，本發明小量程測力傳感器的技術方案如下 它具有感受彎曲正應力的應變梁，在該應變梁的前端延伸出一個擴徑的小半圓柱 形承載頭，其尾端延伸出一個擴徑的圓柱形固定座，在所述的圓柱形固定座的尾端又延伸 出一個擴徑的擋頭。 本發明小量程測力傳感器進一步改進的技術方案如下
所述的小半圓柱形承載頭的直徑小於圓柱形固定座的直徑。
本發明間接測量軸載荷方法的步驟如下 —、在承載軸的兩端分別鏜有一個臺階安裝孔，在該兩個安裝孔中各裝有一隻所 述的小量程測力傳感器，該兩個小量程測力傳感器對稱安裝在承載軸的兩端，小量程測力 傳感器的承載頭與安裝孔前端小孔之間為過渡配合，而小量程測力傳感器的固定座與安裝 孔後端大孔之間為過渡或小間隙配合。 二、求出小量程測力傳感器彎曲應變梁的截面梁厚hl和梁寬h2 : 1、在承載軸上加載設定的載荷力值F,則承載軸受力彎曲變形產生撓度S ,同時
承載軸把該彎曲變形傳遞給小量程測力傳感器，引起小量程測力傳感器彎曲應變梁的受力
而彎曲變形，也產生撓度S ,則承載軸上B截面處的撓度值與小量程測力傳感器承載頭在B截面處的撓度值相等。 2、根據材料力學，列出承載軸上B截面處撓度S (a)的方程為 S (a) =[FXaX(^-a2)]/ (12XEXI)......①……①
4 式中E為承載軸材料的彈性模量；1為承載軸的截面慣性矩；L為承載軸的有效長 度，F為加在承載軸上的設定載荷值，a等於小量程測力傳感器應變梁的有效長度。
3、根據材料力學，列出小量程測力傳感器的撓度S 1 (a)的方程為
S l(a) = (FlXa3)/(3XElXIl)......② 式中El為小量程測力傳感器彎曲應變梁材料的彈性模量；11為小量程測力傳感 器彎曲應變梁材料的截面慣性矩；a為小量程測力傳感器彎曲應變梁的有效長度，Fl為小 量程測力傳感器所受的載荷力，也是小量程測力傳感器的量程參數。
4、求出小量程測力傳感器彎曲應變梁材料的截面慣性矩II : 根據1. 21步得出的承載軸上B截面處的撓度值與承載軸傳遞給小量程測力傳感 器在B截面處的撓度值相等的結果，則公式①等於公式②，得出公式③(Fl Xa3)/(3XEI XII) = [FXaX(字-a2)] / (12XEXI)......③……③ 5、根據材料力學,列出小量程測力傳感器彎曲應變梁截面慣性矩II與其面梁厚 hl及梁寬h2的函數式
II = h2Xhl3/12......④ 6、根據懸臂梁式力傳感器的設計原理，列出小量程測力傳感器應變梁的彎曲應變 量e和小量程測力傳感器的量程參數F1之間的關係式
e = F1XL1/(WXE)......⑤ 式中Ll為力加載點到應變片中部的距離，W為傳感器抗彎截面的係數。 7、根據懸臂梁式力傳感器的設計原理，列出傳感器抗彎截面係數W與彎曲應變梁
等效截面梁厚hl和梁寬h2的函數式 W = h2Xhl2/6......⑥ 8、求解小量程測力傳感器應變梁截面的梁厚hl和梁寬h2 :
將上述步驟所得出的公式⑥代入公式⑤，得公式⑦ 6FlxU
— 2""⑦……⑦
對⑦式中e 、Ll進行人為取值，再求解方程④、⑦，得出hl、h2的具體值。 三、進行仿真實驗，根據仿真實驗結果調整小量程測力傳感器彎曲應變梁的幾何
參數 將設計完成的小量程測力傳感器用有限元分析軟體進行建模分析，得出小量程測 力傳感器在本系統受力狀態下的撓度值Sl(a)和應變區彎曲應變量e的大小，並根據 Sl(a)值和e值，重新用公式②計算Il和用公式④、⑦重新計算應變梁寬h2、厚度hl,還 可重新調整梁長L1,最終使傳感器應變區的幾何參數滿足撓度傳感的測量要求。
四、根據上步所驗證的梁厚hl、梁寬h2和力加載點到應變片中部的梁長Ll製作出 所述的小量程測力傳感器。
通過上述技術方案可以看出，本發明利用了在載荷作用下承載軸某點的撓度等於 小量程測力傳感器在該點撓度的原理，用小量程測力傳感器來感受承載軸受力而產生的撓 度，再通過撓度和應變式力傳感器設計規範確定傳感器的量程及應變區的參數,最後製作 出適用於上述間接測量的傳感器。本發明完全避開了直接測量軸載荷的傳統設計思路，將 軸載荷的直接測量轉變為間接測量，使傳感器量程和體積大大減小，達到了四兩撥千斤的 特殊效果。同時，傳感器在軸內隱藏安裝，可以保護傳感器，防止鋼水飛濺引起的損傷。又 由於傳感器體積外形小巧,便於安裝和更換。更換期時間短，基本不影響正常的生產進度。


圖1、本發明小量程測力傳感器的結構示意圖。
圖2、圖1的A-A剖面結構圖。
圖3、小量程測力傳感器的安裝結構示意圖。 [■] 圖4、承載軸受力示意圖。
具體實施例方式參見圖1、2、3，所述的小量程測力傳感器1具有一個感受彎曲正應力的應變梁 101，在該應變梁的前端延伸出一個擴徑的小半圓柱形承載頭102，其尾端延伸出一個擴徑 的圓柱形固定座103，在所述的圓柱形固定座103的尾端又延伸出一個擴徑的擋頭105，所 述的小量程測力傳感器應變梁101可以採用常規的矩形懸臂梁結構，即應變梁101的載面 為矩形，並在應變梁101上貼附有應變片104。為了方便安裝與更換，所述小半圓柱形承載 頭102的直徑最好小於固定座103的直徑。 用上述小量程測力傳感器進行間接測量軸載荷測量方法的步驟如下
—、參見圖1、3,在承載軸2的兩端分別鏜有兩個臺階安裝孔201，在該兩個安裝孔 201中各裝有一隻所述的小量程測力傳感器1 ，該兩個小量程測力傳感器1對稱安裝在承載 軸的兩端。為了使小量程傳感器能夠較好地感受到承載軸受力而產生的撓度,提高測量精 度，同時又便於安裝與更換，小量程測力傳感器的承載頭102與安裝孔201前端小孔之間採 用過渡配合,而小量程測力傳感器的固定座103與安裝孔201後端大孔之間採用過渡或小 間隙配合。上述兩隻傳感器組成並聯網絡，可以有效消除載荷力F作用點不同而帶來的位 置誤差,確保測量精度。 二、求出上步所述的小量程測力傳感器應變梁的截面梁厚hl和梁寬h2 :
1、再參見圖3,在承載軸2上加載設定的載荷力值F,承載軸受力彎曲變形產生撓 度S ，同時承載軸2把該彎曲變形傳遞給小量程測力傳感器1 ，引起小量程測力傳感器的受 力而彎曲變形，也產生撓度S ,則軸上B截面處的撓度值與承載軸傳遞給小量程測力傳感 器的撓度值相等。 再參見圖l,根據應變傳感器的原理，傳感器應變區a由於受彎矩作用產生正應 力，應力產生應變，從而改變惠斯通電橋的平衡，使其輸出相應的測量電壓Uo。
2、根據材料力學，列出承載軸上B截面處的撓度S (a)方程/ (12XEXI)......①……①載軸直徑，L為承載軸的有效軸長度(即承載軸兩支點之間的距離)，F為加在承載軸上的
設定載荷值，a等於小量程測力傳感器應變梁的有效長度，以上各參數均為已知量，因此，軸
上B截面處的撓度是一個可根據式①計算得出的常數量。 3、根據材料力學，列出小量程測力傳感器的撓度S l(a)的方程為 S l(a) = FlXa3/(3XElXIl)......② 再參見圖1，公式②中El為小量程測力傳感器彎曲應變梁材料彈性模量；11為小 量程測力傳感器1彎曲應變梁的材料截面慣性矩；a為小量程測力傳感器1彎曲應變梁的 長度，Fl為小量程測力傳感器所受的載荷值,也是小量程測力傳感器的量程參數，其中El、 a為已知量，Fl可以根據經驗先進行設定，當Fl被設定後，只有II 一個參數為未知。
4、求出小量程測力傳感器彎曲應變梁材料的截面慣性矩II : 根據1步得出的承載軸上B截面處的撓度值與承載軸傳遞給小量程測力傳感器的 撓度值相等的結果，將公式①等於公式②，得出公式③ (Fl Xa3)/(3 XEl X11) = [FXaX(^-a2 )J / (12XEXI)......③……③
4 設置公式③中傳感器的量程參數Fl，--般情況下，Fl根據實際情況可以取幾十到 幾百公斤，然後根據式③計算出II的具體值。 5、根據材料力學,列出小量程測力傳感器彎曲應變梁截面慣性矩II與其截面梁 厚hl及梁寬h2的函數式
II = h2Xhl3/12......④ 以上公式①、②、④來自於科學出版社出版的《材料力學》教材(苟文選編)。
6、根據懸臂梁式力傳感器的設計原理，列出小量程測力傳感器應變梁的彎曲應變 量e和小量程測力傳感器的量程參數F1之間的關係式 參見圖l,本小量程測力傳感器屬於懸臂梁式力傳感器，其承荷力加載在懸臂梁式 力傳感器1的自由端上，對於該種傳感器來說，懸臂梁的彎曲應變量e和傳感器量程F1之 間的關係為 e = F1XL1/(WXE1)......⑤ 公式⑤中Ll為力加載點到應變片104中部的距離，W為傳感器抗彎截面的係數。
7、根據懸臂梁式力傳感器的設計原理，列出傳感器抗彎截面係數W與彎曲應變梁 101截面梁厚hl和梁寬h2的函數式
W = h2Xhl2/6......⑥
、iS:/,v:^rSy+入/入
l力傳感器應變梁101截面的梁厚hl和梁寬h2 :將2、、A必1 /V厶、
,⑦……⑦ 8、求解小量程溯 式⑤，得公式⑦
「 ， 6FlxLl ￡ =-;-
h2xh〗2 xE 對⑦式中e 、Ll進行人為取值，再求解方程④、⑦，得出hl、h2的具體值,其中e 、 Ll可先用經驗值進行取值，例如本例的小量程測力傳感器是電阻應變式傳感器，其彎曲 應變量e可以取為:1000-6。 上述公式⑤、⑥來自於國防工業出版社出版的《電阻應變式傳感器》(南京航空學院陶寶祺王妮編著)，出版日期1993年8月。 三、進行仿真實驗，根據仿真實驗結果調整小量程測力傳感器彎曲應變梁的幾何 參數 將設計完成的小量程測力傳感器用有限元分析軟體(ANSYS)進行建模分析，得出 小量程測力傳感器在本系統受力狀態下的撓度值Sl (a)和應變區彎曲應變量e的大小， 並根據Sl(a)值和e值，重新用公式②計算Il和用公式④、⑦重新計算應變梁寬h2、厚度 hl,還可重新調整梁長LI及傳感器量程Fl，最終使傳感器應變區的幾何參數滿足撓度傳感 的測量要求。 四、根據三步所驗證的梁厚hl、梁寬h2和力加載點到應變片中部梁長Ll製作出所 述的小量程測力傳感器l。 在實際應用中，一般要求當承載軸2受到最大載荷力Fmax時,產生的撓度值S max 與小量程測力傳感器1在滿量程下產生的撓度值Sl皿近似相等，且滿足Smax《Slmax。
權利要求
一種小量程測力傳感器，其特徵是它具有感受彎曲正應力的應變梁(101)，在該應變梁的前端延伸出一個擴徑的小半圓柱形承載頭(102)，其尾端延伸出一個擴徑的圓柱形固定座(103)，在所述的圓柱形固定座(103)的尾端又延伸出一個擴徑的擋頭(105)。
2. 根據權利要求1所述的小量程測力傳感器，其特徵是所述的小半圓柱形承載頭 (102)的直徑小於圓柱形固定座(103)的直徑。
3. —種用權利要求1所述小量程測力傳感器間接測量軸載荷的方法，其步驟如下3. 1、在承載軸(2)的兩端分別鏜有一個臺階安裝孔(201)，在該兩個安裝孔(201)中各 裝有一隻所述的小量程測力傳感器(1),該兩個小量程測力傳感器對稱安裝在承載軸(2) 的兩端，小量程測力傳感器的承載頭(102)與安裝孔(201)前端小孔之間為過渡配合，而小 量程測力傳感器的固定座(103)與安裝孔(201)後端大孔之間為過渡或小間隙配合。3.2、求出小量程測力傳感器(1)彎曲應變梁(101)的截面梁厚hl和梁寬h2:3.21、 在承載軸(2)上加載設定的載荷力值F，則承載軸受力彎曲變形產生撓度S ，同 時承載軸把該彎曲變形傳遞給小量程測力傳感器(1)，引起小量程測力傳感器彎曲應變梁 (101)的受力而彎曲變形，也產生撓度S,則承載軸上B截面處的撓度值與小量程測力傳感器承載頭在B截面處的撓度值相等；3.22、 根據材料力學,列出承載軸上B截面處撓度S (a)的方程為formula see original document page 2式中E為承載軸材料的彈性模量；I為承載軸的截面慣性矩；L為承載軸的有效長度,F 為加在承載軸上的設定載荷值，a等於小量程測力傳感器應變梁的有效長度；3.23、 根據材料力學，列出小量程測力傳感器的撓度Sl(a)的方程為 Sl(a) = (FlXa3),/(3XElXIl)......(②式中El為小量程測力傳感器彎曲應變梁材料的彈性模量；11為小量程測力傳感器彎 曲應變梁材料的截面慣性矩；a為小量程測力傳感器彎曲應變梁的有效長度，Fl為小量程 測力傳感器所受的載荷力，也是小量程測力傳感器的量程參數；3. 24、求出小量程測力傳感器彎曲應變梁材料的截面慣性矩II :根據1. 21步得出的承載軸上B截面處的撓度值與承載軸傳遞給小量程測力傳感器在 B截面處的撓度值相等的結果，則公式①等於公式②，得出公式③formula see original document page 2設置公式③中的傳感器的量程參數F1,然後根據公式③計算出II的具體值；3. 25、根據材料力學，列出小量程測力傳感器彎曲應變梁截面慣性矩1:1與其面梁厚hl 及梁寬h2的函數式formula see original document page 23. 26、根據懸臂梁式力傳感器的設計原理，列出小量程測力傳感器應變梁的彎曲應變 量e和小量程測力傳感器的量程參數F1之間的關係式 e = F1XL1/formula see original document page 2式中L1為力加載點到應變片(104)中部的距離，W為傳感器抗彎截面的係數；3. 27、根據懸臂梁式力傳感器的設計原理，列出傳感器抗彎截面係數W與彎曲應變梁等效截面梁厚hi和梁寬h2的函數式 W = h2Xhl2/6......⑥ 3. 28、求解小量程測力傳感器應變梁截面的梁厚hi和梁寬h2 :將上述步驟所得出的公式⑥代入公式⑤，得公式⑦ 6F1 x Ll ^ 八￡ =-;——......(X)......⑦h2xhl2xE對⑦式中e 、 Ll進行人為取值，再求解方程④、⑦，得出hl、 h2的具體值； 3.3、進行仿真實驗,根據仿真實驗結果調整小量程測力傳感器彎曲應變梁的幾何參數將設計完成的小量程測力傳感器用有限元分析軟體進行建模分析，得出小量程測力傳 感器在本系統受力狀態下的撓度值Sl(a)和應變區彎曲應變量e的大小，並根據Sl(a) 值和e值，重新用公式②計算Il和用公式④、⑦重新計算應變梁寬h2、厚度hl，還可重新 調整梁長L1，最終使傳感器應變區的幾何參數滿足撓度傳感的測量要求。
4、根據上步所驗證的梁厚hl、梁寬h2和力加載點到應變片中部的梁長Ll製作出所 述的小量程測力傳感器(1)。
全文摘要
本發明是一種小量程測力傳感器及其間接測量軸載荷的測量方法。它在承載軸的兩端裝有小量程測力傳感器，該傳感器具有一個感受彎曲正應力的應變梁。本發明利用了在載荷作用下承載軸某點的撓度等於小量程測力傳感器在該點撓度的原理，用小量程測力傳感器來感受承載軸受力而產生的撓度，再通過撓度和應變式力傳感器設計規範確定傳感器的量程及應變區的參數，最後製作出適用於上述間接測量的傳感器。它完全避開了直接測量軸載荷的傳統設計思路，將軸載荷的直接測量轉變為間接的撓度測量，使傳感器量程和體積大大減小，達到了四兩撥千斤的特殊效果。傳感器體積外形小巧，在軸內隱藏安裝，防止鋼水飛濺引起的損傷，且便於安裝和更換。
文檔編號G01L1/22GK101701858SQ20091002434
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者張榮軍 申請人:中國航天科技集團公司第四研究院第四十四研究所