CN100468018C - 一种开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器 - Google Patents

Abstract

一种开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，在开口式下承载板上连接三根完全相同的弹性柱，内置的放大电路板与三根弹性柱相连，下承载板的侧面连接曲线型壳体和盖板，三弹性柱的上端连接上承载板，弹性柱中段的正反面均粘贴有二片应变计和接线端子，应变计的引脚与接线端子一一对应连接，接线端子经导线连接到放大电路板，本发明采用开口式低矮结构，通过内置在载荷传感器中的放大电路板实现三弹性柱的应变信号累加，即使载荷偏心也不会影响测量精度，放大电路板把累加的应变信号放大后得到精确的载荷信号，并转化为二线制电流信号作远距离传输。

Description

一种开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器

技术领域

本发明涉及一种载荷传感器，具体涉及一种开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器。

背景技术

载荷传感器是工业现场测量和试验技术中被广泛使用的传感器，通常它需要嵌入到被测结构中才能实现载荷的传递和测量。对于工业现场大量使用的杆件结构，通常使用空心圆柱式传感器实现对杆件轴向载荷的测量，这就需要开放被测杆件的一端，套入空心圆柱式传感器并重新连接被测杆件后才能测量，难点是：1、安装困难，在工业现场卸开被测结构往往代价很大；2、加载点的位置很难控制，传感器通常工作于偏心加载状态，为了使传感器中空心圆柱体的应变测量位置有均匀的轴向应力分布，圆柱筒的轴向尺寸必须足够大，否则无法实现精确测量，而大尺寸传感器可能在工业现场根本无法安装。世界各国油田的抽油机井正是如上所述的工业现场，截止2006年底，仅我国就有近20万口抽油机井，均需要对地面抽油杆的载荷进行测量，甚至需要连续监测，以获取油机工况等信息，是实现高效采油和油井信息化监控的必要措施。由于抽油机井工作环境非常恶劣，作为长期监测用的载荷传感器，现在普遍采用的空心圆柱式传感器的现场安装非常困难，而且当载荷严重偏心时该传感器的测量精度无法保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了安装方便，并能够保证测量精度的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括开口式下承压板，其特征在于：下承压板上设置有三根完全相同的第一弹性柱、第二弹性柱和第三弹性柱，放大电路板垂直固定在下承压板上，下承压板的侧面设置有曲线型壳体和带有固定插座的盖板，三根弹性柱的上端设置有上承载板，三根弹性柱中段的正、反面均粘贴有正面第一应变计、反面第一应变计、正面第二应变计、反面第二应变计和正、反面接线端子，正面第一应变计和反面第一应变计的敏感栅与弹性柱轴向平行，正面第二应变计和反面第二应变计的敏感栅与弹性柱轴向垂直，三根弹性柱的正面第一应变计的两个引脚和正面第二应变计的两个引脚分别与正面接线端子一一对应连接，三根弹性柱的反面第一应变计的两个引脚和反面第二应变计的两个引脚分别与反面接线端子一一对应连接，各弹性柱正、反面的接线端子通过导线与放大电路板相连接；所说的放大电路板包括与三根弹性柱正、反面接线端子相连接的应变累加全桥电路，应变累加全桥电路还与调整载荷为零时应变累加全桥电路初始输出电压的零点调节电路相连接，应变累加全桥电路的输出端与差动放大电路相连接，差动放大电路放大后的电压信号输入电压/电流转换电路，防反接电桥电路与电压/电流转换电路相连接，防反接电桥电路为电压/电流转换电路供电，同时电压/电流转换电路的输出与载荷成比例的电流信号到防反接电桥电路作二线制远距离传输。

本发明的弹性柱采用高强度锰钢制成；开口式下承压板上位于安装弹性柱的位置处设置有定位槽；第一弹性柱、第二弹性柱和第三弹性柱在下承压板上呈等边三角形分布；上承载板与曲线型壳体及盖板之间设置有间隙；三根弹性柱的底部均设置有定位销。

本发明的每片应变计均有二个信号引出脚，三根弹性柱正、反面的十二片应变计共二十四个引脚通过各自的接线端子用导线一一连接到放大电路板的应变累加全桥电路，正面第一应变计组成第一个桥臂，反面第二应变计组成第二个桥臂，反面第一应变计组成第三个桥臂，正面第二应变计组成第四个桥臂，十二片应变计依次串联，第一弹性柱的正面第二应变计和正面第一应变计连通形成闭环，第一弹性柱的正面第二应变计和正面第一应变计的接点连接仪表放大器U1的正相输入端，第三弹性柱的反面第二应变计和反面第一应变计的接点连接仪表放大器U1的反相输入端并连接零点调节电路的第一金属膜电阻R1的一端，第一金属膜电阻R1的另一端接第一精密多圈电位器P1的中间调节端，第三弹性柱的正面第一应变计和第一弹性柱的正面第一应变计的接点连接第一精密多圈电位器P1的一端并连接电压/电流转换器U2的第一引脚，电压/电流转换器U2的第一引脚提供桥路的激励电压，第一精密多圈电位器P1的另一端连接第一弹性柱的反面第一应变计和第三弹性柱的正面第二应变计的接点并连接电压/电流转换器U2的第三引脚和仪表放大器U1的第四、第五引脚，仪表放大器U1的第一引脚接第二精密电位器P2的一端并与中间调节端短路，第二精密电位器P2的另一端接仪表放大器U1的第八引脚，仪表放大器U1的正电源第七引脚接电压/电流转换器U2的稳压输出第八引脚，仪表放大器U1的输出端第六引脚接第二金属膜电阻R2的一端，第二金属膜电阻R2的另一端接电压/电流转换器U2的输入端第二引脚，四个开关型第一二级管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成防止信号反接的二级管全桥电路，第一二级管D1和第二二极管D2的正极相连并连接无极性电容C1的一端和电压/电流转换器U2的电流信号输出端第四引脚，无极性电容C1的另一端与第三二级管D3的负极和第四二极管D4的负极相接并连接电压/电流转换器U2的输入电源端第七引脚并与NPN型三极管Q1的集电极相连，电压/电流转换器U2的第五、第六引脚分别接三极管Q1的发射极和基极，第一二级管D1的负极接第四二极管D4的正极并连接插座J1的供电端V+，第二二级管D2的负极接第三二极管D3的正极并连接插座J1的信号输出端OUT，插座J1的供电端V+和信号输出端OUT允许互换，实现了防反接的功能。

本发明采用开口式低矮结构，传感元件为三根独立的弹性柱，每根弹性柱的中段有对称的二个平面，二个平面的对应位置上分别粘贴应变计，通过内置在载荷传感器中的放大电路板实现三弹性柱的应变信号累加，即使载荷偏心也不会影响测量精度，放大电路板把累加的应变信号放大后得到精确的载荷信号，并转化为二线制电流信号作远距离传输。

附图说明

图1为本发明的整体结构原理图；

图2为本发明的弹性柱正反面结构图；

图3是本发明放大电路功能框图；

图4是本发明放大电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参照图1，本发明包括开口式下承压板1，在下承载板1上设置有三根完全相同的高强度锰钢弹性柱2、4和6并在每根弹性柱的安装位置设置定位槽3，三弹性柱2、4和6在下承载板1上成等边三角形分布，放大电路板5垂直固定在下承载板1上，下承载板1的侧面连接曲线型壳体7和带有固定插座9的盖板8，三弹性柱2、4和6的上端连接上承载板10，因弹性柱2、4和6承载后会有微小变形，上承载板10与曲线型壳体7及盖板8之间留有微小间隙。

参照图2，本发明的弹性柱(2、4、6)的底部均设置有定位销11，由于本发明的三根弹性柱完全相同，在第一弹性柱2中段的正面粘贴有正面第一应变计12、正面第二应变计13和正面接线端子16，正面第一应变计12的敏感栅与弹性柱2轴向平行，正面第二应变计13的敏感栅与弹性柱2轴向垂直，正面第一应变计12和正面第二应变计13的四个引脚与接线端子16一一对应连接，接线端子16再用铜质导线连接到放大电路板5上，第一弹性柱2中段的反面粘贴了与正面相同的另一组反面第一应变计14、反面第二应变计15和反面接线端子17，连接方法与正面完全相同，另外二根弹性柱4、6采用和弹性柱2完全相同的处理方法。

参照图3，放大电路板5包括与三根弹性柱(2、4、6)正、反面接线端子(16、17)相连接的应变累加全桥电路(26)，应变累加全桥电路(26)还与调整载荷为零时应变累加全桥电路(26)初始输出电压的零点调节电路(27)相连接，应变累加全桥电路(26)的输出端与差动放大电路(28)相连接，差动放大电路(28)放大后的电压信号输入电压/电流转换电路(29)，防反接电桥电路(30)与电压/电流转换电路(29)相连接，防反接电桥电路为电压/电流转换电路(29)供电，同时电压/电流转换电路29的输出与载荷成比例的电流信号到防反接电桥电路(30)作二线制远距离传输。

参照图5，所说的每片应变计均有二个信号引出脚，三根弹性柱(2、4、6)正、反面的十二片应变计共二十四个引脚通过各自的接线端子用导线一一连接到放大电路板5的应变累加全桥电路26，正面第一应变计(12、18、22)组成第一个桥臂，反面第二应变计(15、21、25)组成第二个桥臂，反面第一应变计(14、20、24)组成第三个桥臂，正面第二应变计(13、19、23)组成第四个桥臂，十二片应变计依次串联，第一弹性柱2的正面第二应变计13和正面第一应变计12连通形成闭环，第一弹性柱2的正面第二应变计13和正面第一应变计12的接点连接仪表放大器U1的正相输入端，第三弹性柱的反面第二应变计25和反面第一应变计24的接点连接仪表放大器U1的反相输入端并连接零点调节电路27的第一金属膜电阻R1的一端，第一金属膜电阻R1的另一端接第一精密多圈电位器P1的中间调节端，第三弹性柱6的正面第一应变计22和第一弹性柱2的正面第一应变计15的接点连接第一精密多圈电位器P1的一端并连接电压/电流转换器U2的第一引脚，电压/电流转换器U2的第一引脚提供桥路的激励电压，第一精密多圈电位器P1的另一端连接第一弹性柱2的反面第一应变计14和第三弹性柱6的正面第二应变计23的接点并连接电压/电流转换器U2的第三引脚和仪表放大器U1的第四、第五引脚，仪表放大器U1的第一引脚接第二精密电位器P2的一端并与中间调节端短路，第二精密电位器P2的另一端接仪表放大器U1的第八引脚，仪表放大器U1的正电源第七引脚接电压/电流转换器U2的稳压输出第八引脚，仪表放大器U1的输出端第六引脚接第二金属膜电阻R2的一端，第二金属膜电阻R2的另一端接电压/电流转换器U2的输入端第二引脚，四个开关型第一二级管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成防止信号反接的二级管全桥电路，第一二级管D1和第二二极管D2的正极相连并连接无极性电容C1的一端和电压/电流转换器U2的电流信号输出端第四引脚，无极性电容C1的另一端与第三二级管D3的负极和第四二极管D4的负极相接并连接电压/电流转换器U2的输入电源端第七引脚并与NPN型三极管Q1的集电极相连，电压/电流转换器U2的第五、第六引脚分别接三极管Q1的发射极和基极，第一二级管D1的负极接第四二极管D4的正极并连接插座J1的供电端V+，第二二级管D2的负极接第三二极管D3的正极并连接插座J1的信号输出端OUT，插座J1的供电端V+和信号输出端OUT允许互换，实现了防反接的功能。

本发明的工作过程如下，对于杆件的拉-拉载荷测量，例如抽油机的地面光杆载荷，被测载荷施加在本发明的下承载板1上，该载荷通过三根弹性柱传递到上承载板10，上承载板10通过固定在杆件上的卡具把载荷传递给杆件，杆件穿过本发明的开口处，开口式结构不需要卸掉固定在杆件上的卡具。对于压-压载荷测量，被测载荷施加在本发明的上承载板10上，该载荷通过三根弹性柱传递到下承载板1，然后施加到被测构件上。三根弹性柱的应变之和与载荷成线性关系，测量累加的应变信号即可得到载荷。

本发明采用开口式低矮结构，传感元件为三根独立的弹性柱，三弹性柱为等边三角形分布，每根弹性柱中段的二个平面上对应位置分别粘贴应变计，通过内置在传感器中的放大电路板实现三弹性柱的应变信号累加，即使载荷偏心也不会影响测量精度，放大电路板把累加的应变信号放大后得到精确的载荷信号，并转化为二线制电流信号作远距离传输。本发明适合较大载荷的测量，例如载荷量程0～90kN，改变弹性柱的截面尺寸即可实现不同的量程。本发明不仅适用于实验室使用，更适用于工业现场恶劣环境下的长时间连续测量，开口式结构为现场安装带来便利。

Claims (7)

1.一种开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，包括开口式下承压板(1)，其特征在于：下承压板(1)上设置有三根完全相同的第一弹性柱(2)、第二弹性柱(4)和第三弹性柱(6)，放大电路板(5)垂直固定在下承压板(1)上，下承压板(1)的侧面设置有曲线型壳体(7)和带有固定插座(9)的盖板(8)，三根弹性柱(2、4、6)的上端设置有上承载板(10)，三根弹性柱(2、4、6)中段的正、反面均粘贴有正面第一应变计(12、18、22)、反面第一应变计(14、20、24)、正面第二应变计(13、19、23)、反面第二应变计(15、21、25)和正、反面接线端子(16、17)，正面第一应变计(12、18、22)和反面第一应变计(14、20、24)的敏感栅与弹性柱轴向平行，正面第二应变计(13、19、23)和反面第二应变计(15、21、25)的敏感栅与弹性柱轴向垂直，三根弹性柱(2、4、6)的正面第一应变计(12、18、22)的两个引脚和正面第二应变计(13、19、23)的两个引脚分别与正面接线端子(16)一一对应连接，三根弹性柱(2、4、6)的反面第一应变计(14、20、24)的两个引脚和反面第二应变计(15、21、25)的两个引脚分别与反面接线端子(17)一一对应连接，各弹性柱正、反面的接线端子(16、17)通过导线与放大电路板(5)相连接；所说的放大电路板(5)包括与三根弹性柱(2、4、6)正、反面接线端子(16、17)相连接的应变累加全桥电路(26)，应变累加全桥电路(26)还与调整载荷为零时应变累加全桥电路(26)初始输出电压的零点调节电路(27)相连接，应变累加全桥电路(26)的输出端与差动放大电路(28)相连接，差动放大电路(28)放大后的电压信号输入电压/电流转换电路(29)，防反接电桥电路(30)与电压/电流转换电路(29)相连接，防反接电桥电路为电压/电流转换电路(29)供电，同时电压/电流转换电路(29)的输出与载荷成比例的电流信号到防反接电桥电路(30)作二线制远距离传输。

2、根据权利要求1所述的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，其特征在于：所说的弹性柱采用高强度锰钢制成。

3、根据权利要求1所述的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，其特征在于：所说的开口式下承压板(1)上位于安装弹性柱的位置处设置有定位槽(3)。

4、根据权利要求1所述的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，其特征在于：所说的第一弹性柱(2)、第二弹性柱(4)和第三弹性柱(6)在下承压板(1)上呈等边三角形分布。

5、根据权利要求1所述的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，其特征在于：所说的上承载板(10)与曲线型壳体(7)及盖板(8)之间设置有间隙。

6、根据权利要求1所述的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，其特征在于：所说的三根弹性柱的底部均设置有定位销(11)。

7、根据权利要求1所述的开口式抗偏心加载的三弹性柱载荷传感器，其特征在于：所说的每片应变计均有二个信号引出脚，三根弹性柱(2、4、6)正、反面的十二片应变计共二十四个引脚通过各自的接线端子用导线一一连接到放大电路板(5)的应变累加全桥电路(26)，正面第一应变计(12、18、22)组成第一个桥臂，反面第二应变计(15、21、25)组成第二个桥臂，反面第一应变计(14、20、24)组成第三个桥臂，正面第二应变计(13、19、23)组成第四个桥臂，十二片应变计依次串联，第一弹性柱(2)的正面第二应变计(13)和正面第一应变计(12)连通形成闭环，第一弹性柱(2)的正面第二应变计(13)和正面第一应变计(12)的接点连接仪表放大器(U1)的正相输入端，第三弹性柱的反面第二应变计(25)和反面第一应变计(24)的接点连接仪表放大器(U1)的反相输入端并连接零点调节电路(27)的第一金属膜电阻(R1)的一端，第一金属膜电阻(R1)的另一端接第一精密多圈电位器(P1)的中间调节端，第三弹性柱(6)的正面第一应变计(22)和第一弹性柱(2)的正面第一应变计(15)的接点连接第一精密多圈电位器(P1)的一端并连接电压/电流转换器(U2)的第一引脚，电压/电流转换器(U2)的第一引脚提供桥路的激励电压，第一精密多圈电位器(P1)的另一端连接第一弹性柱(2)的反面第一应变计(14)和第三弹性柱(6)的正面第二应变计(23)的接点并连接电压/电流转换器(U2)的第三引脚和仪表放大器(U1)的第四、第五引脚，仪表放大器(U1)的第一引脚接第二精密电位器(P2)的一端并与中间调节端短路，第二精密电位器(P2)的另一端接仪表放大器(U1)的第八引脚，仪表放大器(U1)的正电源第七引脚接电压/电流转换器(U2)的稳压输出第八引脚，仪表放大器(U1)的输出端第六引脚接第二金属膜电阻(R2)的一端，第二金属膜电阻(R2)的另一端接电压/电流转换器(U2)的输入端第二引脚，四个开关型第一二级管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成防止信号反接的二级管全桥电路，第一二级管(D1)和第二二极管(D2)的正极相连并连接无极性电容(C1)的一端和电压/电流转换器(U2)的电流信号输出端第四引脚，无极性电容(C1)的另一端与第三二级管(D3)的负极和第四二极管(D4)的负极相接并连接电压/电流转换器(U2)的输入电源端第七引脚并与NPN型三极管(Q1)的集电极相连，电压/电流转换器(U2)的第五、第六引脚分别接三极管(Q1)的发射极和基极，第一二级管(D1)的负极接第四二极管(D4)的正极并连接插座(J1)的供电端V+，第二二级管(D2)的负极接第三二极管(D3)的正极并连接插座(J1)的信号输出端(OUT)，插座(J1)的供电端(V+)和信号输出端(OUT)允许互换，实现了防反接的功能。

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