一種水下輪輻式力傳感器的製作方法

2023-12-06 18:14:36

專利名稱：一種水下輪輻式力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種力傳感器。具體地說是一種即可在陸上又可在水下進行繩鋸機切割管道時金剛石鋸繩張力在線檢測的力傳感器。
背景技術：
水下繩鋸機是用於海底石油管道維修的設備。該設備主要實現海底石油管道切割作業，為了更有效地完成切割作業，需要配備鋸繩張力檢測控制系統。通過檢測控制系統調整繩鋸機的切割徑向進給狀態，使鋸繩在安全的張力範圍內進行切割工作。水下傳感器設計時具有以下難點問題由於傳感器是在一定的海水深度中工作，應該具有良好的水下密封性能；在體積結構方面必須能與繩鋸機本體相適應；傳感器必須在滿足測量準確度達到O. 5%FS要求條件下，具有抗振動、易於安裝、耗電小等特點。有關繩張力檢測及其傳感器的公開報導主要包括1、陳先中，蒼大強，魏任之.多繩摩擦提升機鋼絲繩張力在線監測傳感器.北京科技大學學報.1998(10)，介紹了一種新型礦用多繩摩擦提升機動態張力監測傳感器，採用圓平面壓力彈性膜作為變極距差動電容信號輸出，傳感器彈性敏感元件與轉換電路集成一體化全封閉設計製造，具有良好的抗振動和抗衝擊性能，適用於井下惡劣工作環境。2、靳華偉，張新，呂佳佳.應變式鋼絲繩張力傳感器的設計.礦山機械.2010(07)，根據多繩提升機鋼絲繩動態張力測試的要求，設計了一種用於直接測量鋼絲繩動態張力的傳感器。該傳感器採用了應變式剪切測量原理，具有體積小，測量範圍大，便於安裝，不改變連接裝置結構等特點。3、一種貨物綁紮鋼絲繩張力監測裝置，專利申請號201010268558. X，它包括壓電觸發模塊、張力測量模塊和報警通信模塊。壓電觸發模塊包括壓電陶瓷元件、壓電觸發主板；壓電觸發主板包括電源開關電路、信號處理電路和單片機；張力測量模塊包括旁壓式張力傳感器、測量主板；測量主板包括張力輸出電路、電源開關電路、顯示用數碼管；報警通信模塊包括通信主板、無線通信單元和報警單元、無線通信用GPRS ;通信主板包括接口電路、比較控制器、安全值調節電路。壓電觸發主板、測量主板、報警通信模塊和電池固定在保護外殼中。外殼固定在旁壓式張力傳感器上。壓電陶瓷元件貼在旁壓式張力傳感器上，作業時與鋼絲繩保持接觸。裝置通過旁壓式張力傳感器夾持在鋼絲繩上。4、曹立文，丁海娟.金剛石串珠繩張力傳感器和性能指標分析.工業計量，2007(09)，介紹了金剛石串珠繩張力傳感器的工作原理，並進行了傳感器的標定。通過對傳感器的性能指標分析，該傳感器達到了設計要求，該張力傳感器能夠準確、可靠地測量出串珠繩張力。由上述文獻可得出，文獻1-3鋸繩張力測定主要是在被測鋸繩中串入測力計或測力傳感器，還有採用接觸式鋸繩張力傳感器，將鋸繩張力信號轉換為傳感器的壓緊力信號及位移信號，由此獲得鋸繩張力測定值。由於水下繩鋸機鋸繩切割運動為隨帶輪迴轉形式，這些測力傳感器無法在鋸繩上安裝，信號線也不能與外界連接，因此，以上的方法都不能被採用。文獻4測量方式是繩鋸機在切割過程中串珠繩對導向輪產生壓力，此壓力傳給彈性軸使之產生與張力成比例的應變信號，此張力傳感器雖然能夠準確地測量出串珠繩張力，但彈性軸強度低，在實際工作中，會出現軸斷裂的故障，導致傳感器損壞，因而可靠性差。

發明內容
本發明的目的在於提供一種強度高、可靠性好，能夠實時檢測鋸繩張力的水下輪輻式力傳感器。本發明的目的是通過如下方案實現的包括用於直接感受被測量的彈性組件、用於力信號處理的轉換放大元件；所述彈性組件包括輪圈、輪輻、輪轂、上蓋板、下蓋板、應變片，所述輪輻由四根彈性剪切梁組成，每根輪輻的兩端連接於輪轂與輪圈之間，在四根輪輻的正反面分別貼有應變片，上下蓋板分別固定在輪圈上下端，上下蓋板與輪圈的接觸面處和上下蓋板與輪轂的接觸面處均加有密封墊圈；所述轉換放大元件包括信號數據線、電路板，電路板固定於密封艙中，信號數據線連接與輪輻上應變片與密封艙中電路板之間。本發明還可以包括1、所述輪圈由上輪圈和下輪圈兩部分構成，所述輪轂由上輪轂和下輪轂構成，上輪圈與下輪圈以及上輪轂與下輪轂之間由螺栓連接，所述輪輻鑲嵌在上下輪轂外側與上下輪圈內側之間。2、輪圈與密封艙之間連接有走線管，所述信號數據線布置於走線管中。3、所述密封艙外端部開有外螺紋，端面處有環形密封槽，在密封槽中安有第一 O型密封圈，密封蓋開有內螺紋與密封艙實現螺紋連接，通過第一 O型密封圈實現靜密封，水密電纜接頭通過螺紋連接到密封艙側壁上用於數據向水下密封控制艙的輸出。4、所述走線管的一端與密封艙連成一體，走線管前端開有細牙螺紋，走線管通過前端的細牙螺紋擰進輪圈側壁開孔處，在走線管端部安有第二 O型密封圈。本發明的水下輪輻式力傳感器的特點是強度高、可靠性好，能夠實時檢測鋸繩張力，通過反饋系統控制切割張力保持合理範圍內。它可在水陸兩棲環境中工作，同時也可應用其它裝置中拉力、拖拽力、擠壓力等檢測。


圖1是本發明的外部結構示意圖。圖2是圖1的A-A剖視圖。圖3a是彈性元件受力示意圖，圖3b是圖3a的俯視圖。圖4是本發明實施的鋸繩檢測原理示意圖。
具體實施例方式本發明的輪輻式力傳感器主要由用於直接感受被測量的彈性組件、用於力信號處理的轉換放大元件、用於元件水下密封的密封組件組成。所述彈性組件包括上下輪圈、輪輻、上下輪轂、上蓋板、下蓋板、各處連接螺栓、密封墊圈、應變片及其連接電線。所述輪輻由四根彈性剪切梁組成，鑲嵌在上下輪轂外側與上下輪圈內側之間。在四根輪輻的正反面分別貼有應變片，通過應變片反映輻條的變形，從而得到外力的大小。所述上蓋板通過連接螺栓固定在上輪圈上端，同樣，下蓋板也通過連接螺栓固定在下輪圈下端。所述上下輪轂由連接螺栓連接，帶動輪輻一起上下運動。所述各元件接觸面間均加有密封墊圈實現此傳感器彈性組件的密封。所述轉換放大元件包括信號數據線、電路板、定位銷。所述信號數據線連接輪輻上應變片與密封艙中電路板，電路板通過定位銷固定在密封艙中。所述密封組件包括密封艙、密封蓋、水密電纜接頭、O型密封圈。所述密封艙外端部開有外螺紋，端面處有環形密封槽，在密封槽中安有O型密封圈。所述密封蓋開有內螺紋，與密封艙實現螺紋連接，通過密封圈實現靜密封。所述水密電纜接頭通過螺紋連接到密封艙側壁上，實現數據向水下密封控制艙的輸出。所述轉換放大元件與密封元件組合構成封閉電路板腔體，此腔體通過前端開有細牙螺紋的走線管擰進輪圈側壁開孔處，在端部安有O型密封圈，通過細牙螺紋旋合長度及密封圈實現走線管與輪圈間密封。下面結合圖1-圖2，詳細闡述本發明優選的實施方式。一種水下輪輻式力傳感器由上輪圈1、輪輻2、上輪轂3、短連接螺栓4、上輪轂密封圈5、上蓋板6、上蓋板密封圈7、下輪圈8、長連接螺栓9、下蓋板10、下輪轂密封圈11、輪轂連接螺栓12、下輪轂13、下蓋板密封圈14、走線管端部密封圈15、走線管16、信號數據線17、定位銷18、電路板19、密封艙20、端蓋密封圈21、密封蓋22組成。上輪圈I上端面通過短連接螺栓4與上蓋板6相連接，上輪圈I下端面通過長連接螺栓9將下輪圈8、下蓋板10 —起固定。在上輪圈1、下輪圈8內側上開有環形凹槽，在長連接螺栓9旋合下夾持住4條輪輻2外側，在輪輻2正反面貼有應變片；同樣，上輪轂3與下輪轂13外側也開有環形凹槽，通過輪轂連接螺栓12將輪輻2內側夾住，這樣，輪轂運動將帶動輪輻2上下運動，從而感應出張力信號的大小。在在各元件接觸面間均加有密封墊圈，這些元件構成了傳感器彈性組件I。通過走線管16將信號線17由輪輻2應變片處引到密封艙20中電路板19上；電路板19通過定位銷18固定在密封艙20中，通過水密電纜接頭III將信號向外界輸出；密封艙20外端部開有外螺紋，端面處有環形密封槽，在密封槽中安有O型密封圈21，密封蓋22開有內螺紋，與密封艙20進行螺紋密封連接，構成封閉電路板組合腔體II。電路板組合腔體II通過前端開有細牙螺紋的走線管16擰進下輪圈8側壁開孔處，連接彈性組件I，在端部安有O型密封圈，通過細牙螺紋旋合長度及密封圈實現走線管16與下輪圈8間密封。結合圖3a-圖3b，說明本發明工作原理此傳感器在安裝時有兩種形式，一種是輪轂3以中心孔與固定件中軸配合作為基座，輪圈I作為外力F作用件，這樣，輪轂3受到大小與外力F相等的對稱反力；另一種是輪圈I外壁與固定件中孔配合作為基座，輪轂3作為外力F作用件，同樣輪圈I受到大小與外力F相等的對稱反力。這種對稱反力，使輪輻2產生平行四邊形變形，使得貼在四根輪輻2正反面的應變片產生相應變形，轉換成電阻變化量，通過橋式平衡電路將電阻變化量轉化成電橋的輸出電壓AU，此電壓信號AU經處理及放大，就可以反應出外力的大小。結合圖4，說明本發明在水下繩鋸機鋸繩張力實時檢測的實施方式
水下繩鋸機鋸繩張力傳感器設計參數為①量程0 10000N ;②滿量程輸出5±0.1VDC 準確度±0. 05%FS ;④零點漂移0. 02%FS ;⑤熱零點漂移0. 02%FS/°C ;⑥允許過載120% ;⑦工作溫度-40 85 °C ;⑧頻響S 5KHz。水下繩鋸機鋸繩張力檢測系統的機械結構由絲槓鎖緊螺母31、橫端板32、前端連接螺栓33、側導軌立板34、力傳感器35、推力軸承36、絲槓37、後端連接螺栓38、基座39、絲槓螺母40、導軌41、導向輪軸42、導向輪43、鋸繩44組成。力傳感器35安裝在絲槓37上，為第一種安裝方式，具體是輪轂3以中心孔與固定件絲槓37配合，為使受力均勻在輪轂3後端安有推力軸承36，絲槓37與絲槓螺母40為梯形螺紋配合，絲槓螺母40上端為銷軸形式插入基座39孔中固定，基座39通過四個連接孔a與機架螺栓固定連接，因此，絲槓螺母40靜止不動，同時，絲槓37在旋動調定張力後由絲槓鎖緊螺母31鎖位，這樣，在切割時絲槓37是不動的，即輪轂3不動；而輪圈I由橫端板32端部固定，橫端板32通過螺栓33與兩側導軌立板34連接，鋸繩44繞過導向輪43，導向輪軸42與兩側導軌41銷軸連接，在基座39與兩側導軌41上開有相配合燕尾槽，兩側導軌立板34可沿基座39橫向移動，這樣，鋸繩44張力合力將通過導向輪軸42、兩側導軌立板34傳遞至橫端板32上，即輪圈I將受 到外力F作用。水下繩鋸機鋸繩張力檢測原理是在繩鋸機切割管道時，鋸繩44張力合力實時作用在橫端板32上，橫端板32壓在力傳感器35的輪圈I上，在靜止部件輪轂3將受到大小與外力F相等的對稱反力，此對稱力使輪輻2產生平行四邊形變形，使得貼在四根輪輻正反面的應變片產生相應變形，經信號處理及放大，就可以在線反應出外力F，即鋸繩張力的大小，因而，實現了鋸繩張緊力的在線實時檢測。
權利要求
1.一種水下輪輻式力傳感器，包括用於直接感受被測量的彈性組件、用於力信號處理的轉換放大元件；其特徵是所述彈性組件包括輪圈、輪輻、輪轂、上蓋板、下蓋板、應變片，所述輪輻由四根彈性剪切梁組成，每根輪輻的兩端連接於輪轂與輪圈之間，在四根輪輻的正反面分別貼有應變片，上下蓋板分別固定在輪圈上下端，上下蓋板與輪圈的接觸面處和上下蓋板與輪轂的接觸面處均加有密封墊圈；所述轉換放大元件包括信號數據線、電路板，電路板固定於密封艙中，信號數據線連接與輪輻上應變片與密封艙中電路板之間。
2.根據權利要求1所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述輪圈由上輪圈和下輪圈兩部分構成，所述輪轂由上輪轂和下輪轂構成，上輪圈與下輪圈以及上輪轂與下輪轂之間由螺栓連接，所述輪輻鑲嵌在上下輪轂外側與上下輪圈內側之間。
3.根據權利要求1或2所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是輪圈與密封艙之間連接有走線管，所述信號數據線布置於走線管中。
4.根據權利要求1或2所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述密封艙外端部開有外螺紋，端面處有環形密封槽，在密封槽中安有第一 O型密封圈，密封蓋開有內螺紋與密封艙實現螺紋連接，通過第一 O型密封圈實現靜密封，水密電纜接頭通過螺紋連接到密封艙側壁上用於數據向水下密封控制艙的輸出。
5.根據權利要求3所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述密封艙外端部開有外螺紋，端面處有環形密封槽，在密封槽中安有第一 O型密封圈，密封蓋開有內螺紋與密封艙實現螺紋連接，通過第一 O型密封圈實現靜密封，水密電纜接頭通過螺紋連接到密封艙側壁上用於數據向水下密封控制艙的輸出。
6.根據權利要求1或2所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述走線管的一端與密封艙連成一體，走線管前端開有細牙螺紋，走線管通過前端的細牙螺紋擰進輪圈側壁開孔處，在走線管端部安有第二 O型密封圈。
7.根據權利要求3所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述走線管的一端與密封艙連成一體，走線管前端開有細牙螺紋，走線管通過前端的細牙螺紋擰進輪圈側壁開孔處，在走線管端部安有第二 O型密封圈。
8.根據權利要求4所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述走線管的一端與密封艙連成一體，走線管前端開有細牙螺紋，走線管通過前端的細牙螺紋擰進輪圈側壁開孔處，在走線管端部安有第二 O型密封圈。
9.根據權利要求5所述的水下輪輻式力傳感器，其特徵是所述走線管的一端與密封艙連成一體，走線管前端開有細牙螺紋，走線管通過前端的細牙螺紋擰進輪圈側壁開孔處，在走線管端部安有第二 O型密封圈。
全文摘要
本發明提供的是一種水下輪輻式力傳感器。包括用於直接感受被測量的彈性組件、用於力信號處理的轉換放大元件；所述彈性組件包括輪圈、輪輻、輪轂、上蓋板、下蓋板、應變片，所述輪輻由四根彈性剪切梁組成，每根輪輻的兩端連接於輪轂與輪圈之間，在四根輪輻的正反面分別貼有應變片，上下蓋板分別固定在輪圈上下端，上下蓋板與輪圈的接觸面處和上下蓋板與輪轂的接觸面處均加有密封墊圈；所述轉換放大元件包括信號數據線、電路板，電路板固定於密封艙中，信號數據線連接與輪輻上應變片與密封艙中電路板之間。本發明強度高、可靠性好，能夠實時檢測鋸繩張力。它可在水陸兩棲環境中工作，同時也可應用其它裝置中拉力、拖拽力、擠壓力等檢測。
文檔編號G01L5/10GK103017967SQ20121051939
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者王茁, 張波, 李豔傑, 劉風坤, 張毅治, 田忠鋒, 張真, 郭石宇 申請人:哈爾濱工程大學