變靈敏度荷載傳感裝置的製作方法

2023-04-25 22:33:46 1

專利名稱：變靈敏度荷載傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬控制科學與工程領域，具體涉及變靈敏度式荷載傳感裝置，在荷載作用下可以實現變靈敏度測量。
背景技術：
隨著結構工程的蓬勃發展，人們越發重視結構的健康監測與新型結構、構件的應用研究。採集的數據作為監測和試驗的研究基礎，也需要進一步提高精度。目前，國內外已經開始運用多種材料作為敏感元件製成傳感器/變送器進行應用探索研究。其中，高靈敏度應變計在製作工藝和應用領域中有了長足的發展。工藝技術的日趨完善、性能更為穩定，使傳感器的集成化、微型化以及智能化成為可能，最終實現智能型結構。要達到這個目的，利用高靈敏度傳感器(計)進行測試，獲得較為準確荷載作用情況，以及這些荷載或自身因素引起的變形和應力分布情況，了解結構或構件試驗中模型受力的全過程。
目前，高靈敏度傳感材料有許多種。半導體材料作為其中之一具有優良的機械、物理性能，材質純、內耗低、功耗小，滯後和蠕變幾乎為零，並且機械穩定性好，是理想的敏感材料。半導體的靈敏係數比金屬高1～2個數量級，並且製造工藝與集成電路工藝有很好的兼容性。半導體應變計根據製作工藝不同可以分為(1)體形半導體應變計；(2)擴散型半導體應變計；(3)薄膜型半導體應變計。
目前高靈敏度傳感器主要應用於低應力、小應變等測試領域。尚未涉及高應力、大變形結構中。究其原因為在高靈敏度傳感器中，由於傳感材料的靈敏係數高，在低輸入的情況下，輸出較大，致使傳感器輸入、輸出線性範圍小，不適合在大應變結構環境中直接埋設或粘貼使用。低靈敏度傳感器的量程雖然比高靈敏度傳感器寬，但在高輸入的情況下，輸出較小，精度常常不能滿足精細測試的要求。
結構設計時，出於安全的需要，結構材料的實際承載能力遠大於使用階段的受力。比如在混凝土結構試驗中，開裂荷載和極限承載力是兩個控制荷載，由於混凝土材料抗拉強度和抗壓強度相差10倍左右，兩個控制荷載也相差很大。因此，需要一種傳感器在低應力(≤10Mpa)環境下進行高精度測試，而在高應力(＞10Mpa)環境中為了實現大量程允許測試精度有所降低。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種結構簡單的變靈敏度傳感裝置。當荷載處於量程的前半程時，傳感裝置能提供較高的測試精度；在荷載達到傳感裝置量程的後半部分時，可以進行較低精度的測試，進而擴展傳感器的總量程。
為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案一種變靈敏度荷載傳感裝置，包括基座、加載頭和高靈敏度應變計，還包括第一彈性體，設置在基座內並與加載頭的下端相連接，所述高靈敏度應變計安裝在第一彈性體上；以及第二彈性體，設置在第一彈性體的下方，並與第一彈性體之間設有預留間隙。
本發明變靈敏度荷載傳感裝置的工作原理為當荷載處於總量程的前半部分時，只有第一彈性體在荷載的作用下參與工作，粘貼在第一彈性體上的高靈敏度應變計隨之產生應變，傳感裝置輸出信號，此時彈性體剛度較小，因此傳感裝置靈敏度較高。荷載繼續增加，第一彈性體變形加大，變形量達到預留間隙後，第一彈性體和第二彈性體相互接觸，第一彈性體和第二彈性體在荷載作用下共同工作，第一彈性體和第二彈性體的剛度之和較第一彈性體的剛度有大幅增加，在相同荷載增量中，粘貼有高靈敏度應變計的第一彈性體變形較小，傳感裝置靈敏度降低，從而增加了傳感器的量程。
作為上述技術方案的第一種優選方案，所述第一彈性體與第二彈性體為杆狀結構，第一彈性體與第二彈性體垂直交叉布置且其兩端均簡支在基座上，加載頭的下端頂在第一彈性體的跨中處。第一彈性體和第二彈性體在基座上形成簡支梁，第一彈性體的跨中處在加載頭的作用下向下變形，當其變形量超過預留間隙後，第一彈性體和第二彈性體相接觸，剛度增加，量程加大，靈敏度降低，從而實現變靈敏度測量。
上述優選方案中，所述基座可以為圓管狀，基座內側對稱地設有兩對縱向槽，兩對縱向槽的槽底分別處在兩個水平面上，第一彈性體的兩端放置在第一對縱向槽內，第二彈性體的兩端放置在第二對縱向槽內。這種簡單的結構可以使第一彈性體和第二彈性體在基座上形成簡支。
作為對上述優選方案的一種改進，所述加載頭的下端呈尖銳的刀口狀且刀口的方向與第一彈性體的軸線相垂直，所述第二彈性體的跨中處上側面設有一圓形突起。這些措施可以保證第一彈性體和第二彈性體僅在跨中處承受載荷，簡化受力狀態，最大限度地保證測量結果的準確性。
作為對上述優選方案的另一種改進，在第一彈性體兩端四分之一淨跨處的上下兩側分別安裝一片高靈敏度應變計。這樣四片應變計可以形成差動橋路，消除溫漂和時漂的影響，並且使測量的靈敏度提高一倍。
作為本發明的第二種優選方案，所述第一彈性體和第二彈性體均為倒扣的杯狀結構，第一彈性體套在第二彈性體的外面，它們的杯口向下固定在基座上，加載頭的下端頂在第一彈性體的杯底外表面上，第一彈性體的杯底內表面與第二彈性體的杯底外表面之間設有預留間隙。第一彈性體在加載頭的作用下變形，當變形超過預留間隙後，第一彈性體的杯底內表面與第二彈性體的杯底外表面相接觸，彈性體的剛度增加，量程加大，靈敏度降低，從而實現變靈敏度測量。同時這種結構的傳感裝置可以承受更重的荷載。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1是本發明的傳感裝置的作用原理圖。
圖2是本發明的一種變靈敏度傳感裝置中彈性體在基座中的布置方式示意圖。
圖3是沿圖2中A-A處的剖視圖。
圖4是沿圖2中B-B處的剖視圖。
圖5是本發明的另一種變靈敏度傳感裝置的結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的傳感裝置的作用原理是由第一彈性體先承受荷載，進行高靈敏度測量，當荷載繼續加大時，第二彈性體同時參與承受荷載，使傳感裝置的靈敏度降低，但量程得到擴大。
本發明的變靈敏度荷載傳感裝置，包括基座4、加載頭6和高靈敏度應變計3、第一彈性體1以及第二彈性體2，第一彈性體1設置在基座4內並與加載頭6的下端相連接，高靈敏度應變計3安裝在第一彈性體1上；第二彈性體2設置在第一彈性體1的下方，並與第一彈性體1之間設有預留間隙9。圖2、圖3、圖4所示的是本發明的一種優選結構，基座4為圓管狀，基座4內側對稱地設有兩對縱向槽41、42，兩對縱向槽41、42的槽底分別處在兩個水平面上，第一彈性體1的兩端放置在第一對縱向槽41內，第二彈性體2的兩端放置在第二對縱向槽42內，這樣第一彈性體1和第二彈性體2在基座4內形成兩個垂直交叉的簡支梁。加載頭6安裝在上蓋5上的中心孔裡，加載頭6與上蓋5的內表面之間設有密封圈7。加載頭6的下端頂在第一彈性體1的跨中處，為了保證第一彈性體1的跨中處單點受力，加載頭6的下端設計成刀口狀，且刀口的方向與第一彈性體1的軸線方向垂直。為了保證第二彈性體2的跨中處單點受力，第二彈性體2的跨中處上側面與第一彈性體1接觸的部位設有圓形突起8。四片高靈敏度應變計3分別粘貼在第一彈性體1兩端四分之一淨跨處的上下兩側，這樣便於組成差動橋路，以消除溫漂和時漂的影響，並且提高測量的靈敏度。
圖5示出了本發明的第二種優選的結構形式，第一彈性體1和第二彈性體2均為倒扣的杯狀結構，第一彈性體1套在第二彈性體2的外面，它們的杯口向下固定在基座4上，高靈敏度應變計3粘貼在第一彈性體1的外表面，加載頭6安裝在上蓋5上的中心孔裡，加載頭6的下端頂在第一彈性體1的杯底外表面上，第一彈性體1的杯底內表面與第二彈性體2的杯底外表面之間設有預留間隙9。當第一彈性體1在荷載的作用下變形超過預留間隙9時，第一彈性體1的杯底內表面與第二彈性體2的杯底外表面接觸，第一彈性體1與第二彈性體2將同時承受荷載。
權利要求
1.一種變靈敏度荷載傳感裝置，包括基座(4)、加載頭(6)和高靈敏度應變計(3)，其特徵在於該裝置還包括第一彈性體(1)，設置在基座(4)內並與加載頭(6)的下端相連接，所述高靈敏度應變計(3)安裝在第一彈性體(1)上；第二彈性體(2)，設置在第一彈性體(1)的下方，並與第一彈性體(1)之間設有預留間隙(9)。
2.根據權利要求1所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特徵在於所述第一彈性體(1)與第二彈性體(2)為杆狀結構，第一彈性體(1)與第二彈性體(2)垂直交叉布置且其兩端均簡支在基座(4)上，加載頭(6)的下端頂在第一彈性體(1)的跨中處。
3.根據權利要求2所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特徵在於所述基座(4)為圓管狀，基座(4)內側對稱地設有兩對縱向槽(41，42)，兩對縱向槽(41，42)的槽底分別處在兩個水平面上，第一彈性體(1)的兩端放置在第一對縱向槽(41)內，第二彈性體(2)的兩端放置在第二對縱向槽(42)內。
4.根據權利要求2所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特徵在於所述加載頭(6)的下端呈尖銳的刀口狀且刀口的方向與第一彈性體(1)的軸線相垂直，所述第二彈性體(2)的跨中處上側面設有一圓形突起(8)。
5.根據權利要求2所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特徵在於所述的高靈敏度應變計(3)共有四片，分別安裝在第一彈性體(1)兩端四分之一淨跨處的上下兩側。
6.根據權利要求1所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特徵在於所述第一彈性體(1)和第二彈性體(2)均為倒扣的杯狀結構，第一彈性體(1)套在第二彈性體(2)的外面，它們的杯口向下固定在基座(4)上，加載頭(6)的下端頂在第一彈性體(1)的杯底外表面上，第一彈性體(1)的杯底內表面與第二彈性體(2)的杯底外表面之間設有預留間隙(9)。
全文摘要
本發明公開了一種結構簡單的變靈敏度傳感裝置，包括基座、加載頭和高靈敏度應變計，還包括第一彈性體，設置在基座內並與加載頭的下端相連接，所述高靈敏度應變計安裝在第一彈性體上；以及第二彈性體，設置在第一彈性體的下方，並與第一彈性體之間設有預留間隙。當荷載處於量程的前半程時，只有第一彈性體承受荷載，傳感裝置能提供較高的測試精度；在荷載達到傳感裝置量程的後半部分時，第一彈性體與第二彈性體同時承受荷載，可以進行較低精度的測試，進而擴展傳感器的總量程。
文檔編號G01L19/04GK1737518SQ200510028190
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月27日 優先權日2005年7月27日
發明者薛偉辰, 李 傑, 徐壯濤 申請人:同濟大學