CN100473964C - 梁环式力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种力传感器，由受力元件和应变计构成，其特征为，采用梁与环的组合式受力结构，使作用在梁上的力引起中部环形结构的内壁四个应变灵敏处的应变值发生变化，通过测量这四个位置的应变测得作用力大小。环形结构的内壁有凹凸，传感器用橡胶盖密封，通过压板对橡胶盖施加压力，使橡胶盖与环形结构的内表面紧密贴合，起到密封作用。本发明的力传感器受力元件在与主测力方向垂直的侧向上具有很大的刚度和强度，克服了以往力传感器易受侧向力干扰的缺点，加之采取的密封措施，使该传感器可以适应各种测力及称重，并可以在潮湿、盐雾、甚至水下等环境工作。

Description

梁环式力传感器

技术领域

本发明属于应变式力传感器技术领域，涉及到一种梁环式力传感器。

背景技术

现有的力传感器大多是应变式力传感器，其原理是将作用在传感器上的力信号转换为传感器自身某个部位的可测量的应变信号。目前常见的测力元件形式依其受力形式可分为拉压式(柱式，筒式，柱环式等)，弯曲式(等强梁，方框梁，知形孔方框梁等)，剪切式(轮幅式剪切梁，方梁，圆截面工字梁等)。

力传感器在使用过程中不仅要承受来自被测力的载荷，还要承受来自垂直于被测力方向的侧向力的载荷。常见的力传感器为了减小在使用过程中侧向力对测量结果的影响，一般采用的方法是在传感器的连接处装有球形铰，并要求将力传感器工作中的侧向力控制在一个很小的范围内。为了使力传感器能够工作在有较大侧向力的环境中，要在力传感器与被测力结构之间安装一些辅助的保护性结构，不方便使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有大的侧向刚度和侧向强度，不易受侧向力干扰，且具有防水和气密功能的力传感器。

本发明的技术方案是：一种测力传感器，由受力元件和应变计构成，其特征在于，受力元件为一个长方形并有一定厚度的弹性元件材料，中间开一个圆孔，长方形的两侧短边上开有两个对称的圆弧型凹口，两个圆弧型凹口的圆弧轴线与圆孔的轴线平行且共面，圆弧型凹口的底部与圆孔侧壁不相接触，在未开有圆弧型凹口的两个侧面，靠近圆弧型凹口的两端设有用于受力的凸台，应变计安装在圆孔的侧壁。受力凸台上可以开有螺孔，连接被测的结构。

上述力传感器是采用梁与环的组合式受力结构，当力作用在受力元件的凸台上时，相当于力作用在梁上，受力元件在外力作用下发生弹性变形。设作用力为上下垂直方向，即垂直于受力元件圆孔轴，则在受力元件圆孔的轴向中间位置，且垂直于圆孔轴的平面上，圆孔侧壁的上下左右均匀分布的四个点为应变响应最灵敏的位置，可以在这四点贴上应变计，应变计与应变仪或应变测量电路相连接，通过测量上下两点与左右两点的应变差，测量结构受力。由于环境温度的变化不会影响到应变差，所以本传感器对温度的变化不敏感，测量结果基本不受环境温度的影响。应变计可以采用常用的电阻应变片、半导体应变片等。

为使本发明的传感器能满足防水和气密要求，适应不同的环境，可以对其进行密封，其方案为：在受力元件上圆孔的两端对称地将直径扩大，使圆孔侧壁两端凹进，中间凸出，在凹进的两端各扣入一个碗形橡胶盖，再在碗形橡胶盖外侧各装一个压板，压板固定在受力元件表面，其中一组碗形橡胶盖和压板上开有小孔，用于穿过信号电缆。压板被固定后，将两个碗形橡胶盖紧压在圆孔凹进部分的侧壁和凸起部分的环开平面上，同时橡胶密封圈发生变形，将穿过其中的电缆紧箍，起到了密封的作用。可以在受力元件上开四个安装压板用的通孔，螺栓穿过通孔将两个压板相互压紧。

通过受力分析发现，受力元件圆孔侧壁采用上述两端凹进，中间凸出的形状，还可以提高传感器的测量灵敏度，降低垂直于被测力方向的侧向力干扰。

传感器密封以后，两个碗形橡胶盖和圆孔侧壁之间形成了一个腔体，可以将与应变计相连接的应变测量电路放在其中，构成内置电路传感器；当测量到应变值后，内置的应变测量电路将应变值以模拟或数字信号的形式输出，通过穿过一组碗形橡胶盖和压板上小孔的信号输出电缆，与显示仪表或记录仪器相连。

本发明的受力元件在与主测力方向垂直的侧向上具有很大的刚度和强度，可以承受很大的侧向力。同时传感器内部的四个应变测点对来自于侧向的力不敏感，所以本传感器在使用中对侧向力的干扰有很高的抑制能力，克服了以往力传感器易受侧向力干扰的缺点。该传感器可以适应各种测力及称重，并可以在潮湿，盐雾，甚至水下等恶劣环境中工作。

图1为未密封时的梁环式力传感器的主视图

图中1为受力元件，2为圆孔，3为圆弧型凹口，4为受力凸台，5为用于固定传感器的螺纹孔，6为用于固定压板的通孔，7为应变计，安装在A、B、C、D四点；L为两个受力凸台之间的距离，L’为两个圆弧型凹口底部之间的距离，R1为圆弧型凹口的半径，R2为圆孔侧壁凹进部分的半径，R3为圆孔侧壁凸出部分的半径，粗箭头所指方向为传感器的受力方向。

图2为未密封时的梁环式力传感器的I-I剖视图

图中T1为传感器受力元件的厚度，T2为圆孔侧壁凸出部分的厚度。

图3为密封后的梁环式力传感器的剖视图

图中8为碗形橡胶盖，9为压板，10为内置应变测量电路，11为用于穿过信号电缆的小孔。

实施例1

未密封时的梁环式力传感器如图1、图2所示，密封后的传感器如图3所示。

如图1、图2，受力元件1上开有圆孔2，圆弧形凹口3，用于固定压板的通孔6，受力凸台4上升有用于固定传感器的螺纹孔5；L＝136mm，L’＝108mm，R1＝25mm，R2＝35mm，R3＝25mm，T1＝50mm，T2＝20mm。材料选用45号钢，有限元计算得出的灵敏度是35.4με/kN，刚度是7.2×10⁸kN/m。

密封装置如图3所示，在圆孔2两侧扣入碗形橡胶盖8，再压上压板9，用四个M6的螺栓将压板固定压紧在碗形橡胶盖8上，实现防水密封功能，其中一组碗形橡胶盖8和压板9开有小孔11，用于穿过信号电缆。

在图1所示A、B、C、D四个点处贴有电阻应变片作为应变计7，应变测量电路10放在传感器的圆孔和碗形橡胶盖所形成的腔体内，构成内置电路传感器；在外力作用下，电阻应变片测量到A、B、C、D各点的应变值，应变测量电路将应变值以数字信号的形式输出，通过信号电缆与显示仪表或记录仪器相连。

传感器通过四个M10的螺栓与被测结构固定连接。

该传感器适用于海洋平台海冰与平台之间作用力的测量。

Claims (7)

1. 【权利要求1】一种梁环式力传感器，由受力元件和应变计构成，其特征在于，受力元件为一个长方形并有一定厚度的弹性元件材料，中间开一个圆孔，长方形的两侧短边上开有两个对称的圆弧型凹口，两个圆弧型凹口的圆弧轴线与圆孔的轴线平行且共面，圆弧型凹口的底部与圆孔侧壁不相接触，在未开有圆弧型凹口的两个侧面，靠近圆弧型凹口的两端设有用于受力的凸台，应变计安装在圆孔的侧壁。
2. 【权利要求2】如权利要求1所述的一种梁环式力传感器，其特征在于，设作用力为上下垂直方向，即垂直于受力元件圆孔轴，则在受力元件圆孔的轴向中间位置，且垂直于圆孔轴的平面上，圆孔侧壁的上下左右均匀分布的四个点安装应变计。
3. 【权利要求3】如权利要求1或2所述的一种梁环式力传感器，其特征在于受力元件圆孔两端的直径对称地大于中间部分的直径，圆孔侧壁两端对称凹进，中间凸出。
4. 【权利要求4】如权利要求3所述的一种梁环式力传感器，其特征在于在圆孔侧壁凹进的两端各扣入一个碗形橡胶盖，在碗形橡胶盖外侧各装一个压板，压板固定在受力元件表面，其中一组碗形橡胶盖和压板上开有小孔。
5. 【权利要求5】如权利要求4所述的一种梁环式力传感器，其特征在于，应变仪与应变测量电路相连接，应变测量电路放置在两个碗形橡胶盖和圆孔侧壁之间形成的腔体内，应变测量电路接有穿过一组碗形橡胶盖和压板上小孔的信号输出电缆。
6. 【权利要求6】如权利要求1或2所述的一种梁环式力传感器，其特征在于受力凸台上开有螺孔，用于连接被测的结构。
7. 【权利要求7】如权利要求4所述的一种梁环式力传感器，其特征在于受力元件上开有四个安装压板用的通孔，螺栓穿过通孔将两个压板相互压紧连接。

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