CN103196526B - 具有偏载隔离功能的测力称重传感器及其隔离测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测力称重传感器，公开了一种具有偏载隔离功能的测力称重传感器及其隔离测量方法，包括弹性体和组成电桥的应变片，所述的弹性体包括变形控制体，变形测量区的贴片区上下端均设有柔性弯矩隔离区；柔性弯矩隔离区和贴片区为相互垂直的薄片；且当作用力P作用到上接头和下接头时，偏载引起等效干扰弯矩Mx、My被相互正交的柔性弯矩隔离区和贴片区所形成的柔性铰有效隔离，使得Mx、My不会影响到贴片区的测量。本发明根据应变测量原理，采用弯矩隔离方法使偏载力引起的弯矩无法向测量区传递，可显著提高传感器的抗偏载能力，实现力值的精密测量，且结构简单，便于制造。

Description

具有偏载隔离功能的测力称重传感器及其隔离测量方法

技术领域

本发明涉及测力称重传感器，尤其涉及了具有偏载隔离功能的测力称重传感器及其隔离测量方法。

背景技术

测力称重传感器广泛的应用于工业、国防领域，主要用作各类电子衡器及生产过程控制设备的核心部件，其性能好坏直接影响到力值计量或控制的准确性。偏载力干扰影响或力值测量的方位误差是测力传感器最重要的技术指标，也是高精度测力传感器必须具备的条件。高精度测力传感器主要用于力标准机检定、高精度电子吊秤的核心部件及其它测量复现性要求较高场合。由于测力传感器在使用的过程中，力作用点不可避免的会存在偏心影响，对于普通测力传感器，当作用力P偏离中心轴线时，由于存在等效弯矩的作用，传感器贴片区的应变必然发生变化，从而引起测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种具有偏载隔离功能的测力称重传感器及其隔离测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

具有偏载隔离功能的测力称重传感器，包括弹性体和组成电桥的应变片，所述的弹性体包括变形控制体和设置在变形控制体内的变形测量区，变形测量区包括贴片区、分别设置在贴片区上下端的刚性过渡区和与刚性过渡区连接的柔性弯矩隔离区；柔性弯矩隔离区和贴片区为相互垂直的薄片。柔性弯矩隔离区和贴片区为薄片，具有相对较大的抗拉刚度和相对较小的抗弯曲刚度。

作为优选，弹性体还包括设置在变形控制体上端的上接头和设置在变形控制体下端的下接头。

作为优选，变形测量区上粘有四个应变片，变形测量区的贴片区前表面粘帖有两个应变片，与贴片区前表面对应位置的贴片区后表面粘帖有两个应变片。

作为优选，贴片区前表面的两个应变片分别为第一横应变片和第一竖应变片，贴片区后表面的两个应变片分别为第二横应变片和第二竖应变片，所述的第一横应变片和第二横应变片均为横向粘帖，第一竖应变片和第二竖应变片均为竖向粘帖；所述的四个应变片通过导线连接成惠斯通电桥。

作为优选，变形控制体为长方体或圆柱体，所述的变形控制体上设有圆孔，圆孔与变形控制体形成一个环形体。

作为优选，上接头和下接头为圆柱体或带螺纹的圆柱体。

作为优选，整个弹性体为一体式加工而成的合金钢弹性体或合金铝弹性体。

一种偏载力隔离测量方法，需要测量的是作用到所述传感器的作用力P，当作用力P作用到上接头和下接头时，偏载引起等效干扰弯矩Mx、My被相互正交的柔性弯矩隔离区和贴片区所形成的柔性铰有效隔离，使得Mx、My不会影响到贴片区的测量；再利用惠斯通电桥进行作用力P的测量；作用力P与惠斯通电桥的输出信号S之间可利用公式S=CP计算，得出惠斯通电桥的输出信号S与作用力P的大小成正比。

作为优选，所述传感器的输出信号S即惠斯通电桥的输出信号S可表示成：

$S=\frac{1}{4}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}+\frac{\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_3}-\frac{R_4}{R_4})$

$=\frac{K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

根据弹性力学，ε₂=-με₁，令其中ε₁=ε₃，ε₂=ε₄；

惠斯通电桥的输出信号S可表示成：S=K（1+μ）ε₁；

式中R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一横应变片、第一竖应变片、第二横应变片和第二竖应变片的电阻，△R₁、△R₂、△R₃、△R₄分别为各应变片电阻值R₁、R₂、R₃、R₄受力后产生的电阻变化量；K为应变片系数，μ为弹性体材料的泊松比，ε₁、ε₃为弹性体贴片区的受力轴线方向的应变，ε₂、ε₄为弹性体贴片区与受力后泊松比引起的横向压缩应变；K（1+μ）为常数，ε₁由变形控制体的材料特性、尺寸及作用力P决定；对于特定的传感器，材料特性及尺寸不变，于是所述传感器输出与作用力P之间的关系可表示成：

S=CP；

对特定的传感器C为常数。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：根据应变测量原理，采用弯矩隔离方法使偏载力引起的弯矩无法向测量区传递，可显著提高传感器的抗偏载能力，实现力值的精密测量，且结构简单，便于制造。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是图1的侧视局部剖视图。

图3是变形测量区的结构示意图。

图4是应变片组成的惠斯通电桥电路图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中1—变形控制体、2—贴片区、3—刚性过渡区、4—柔性弯矩隔离区、5—前表面、6—后表面、7—上接头、8—下接头、9—外壳、10—通孔、21—第一横应变片、22—第一竖应变片、23—第二横应变片、24—第二竖应变片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

具有偏载隔离功能的测力称重传感器，如图1和图3所示，包括弹性体和组成电桥的应变片，所述的弹性体包括变形控制体1和设置在变形控制体1内的变形测量区，变形测量区包括贴片区2、分别设置在贴片区2上下端的刚性过渡区3和与刚性过渡区3连接的柔性弯矩隔离区4；柔性弯矩隔离区4和贴片区2为相互垂直的薄片，构成一个柔性铰。柔性弯矩隔离区4和贴片区2为薄片，具有相对较大的抗拉刚度和相对较小的抗弯曲刚度。

弹性体还包括设置在变形控制体1上端的上接头7和设置在变形控制体1下端的下接头8。所述的上接头7和下接头8均可以拉或压。

如图2所示，变形测量区上粘有四个应变片，变形测量区的贴片区2前表面5粘帖有两个应变片，与贴片区2前表面5对应位置的贴片区2后表面6粘帖有两个应变片。

贴片区2前表面5的两个应变片分别为第一横应变片21和第一竖应变片22，贴片区2后表面6的两个应变片分别为第二横应变片23和第二竖应变片24，所述的第一横应变片21和第二横应变片23均为横向粘帖，第一竖应变片22和第二竖应变片24均为竖向粘帖；如图4所示，所述的四个应变片通过导线连接成惠斯通电桥。惠斯通电桥上还设有补偿元件；惠斯通电桥的输出端与指示仪表连接，指示仪表连有激励电源，惠斯通电桥的输入端连接激励电源。

变形控制体1为长方体或圆柱体，所述的变形控制体1上设有圆孔10，圆孔10与变形控制体1形成一个环形体。在本实施例中，变形控制体1为长方体。

上接头7和下接头8为圆柱体或带螺纹的圆柱体。在本实施例中，上接头7和下接头8为带螺纹的圆柱体。

整个弹性体为一体式加工而成的合金钢弹性体或合金铝弹性体。所述的弹性体套有外壳9。

一种偏载力隔离测量方法，需要测量的是作用到所述传感器的作用力P，当作用力P作用到上接头7和下接头8时，偏载引起等效干扰弯矩Mx、My被相互正交的柔性弯矩隔离区4和贴片区2所形成的柔性铰有效隔离，使得Mx、My不会影响到贴片区2的测量；再利用惠斯通电桥进行作用力P的测量；作用力P与惠斯通电桥的输出信号S之间可利用公式S=CP计算，得出惠斯通电桥的输出信号S与作用力P的大小成正比。

所述传感器的输出信号S即惠斯通电桥的输出信号S可表示成：

$S=\frac{1}{4}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}+\frac{\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_3}-\frac{R_4}{R_4})$

$=\frac{K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

根据弹性力学，ε₂=-με₁，令其中ε₁=ε₃，ε₂=ε₄；

惠斯通电桥的输出信号S可表示成：S=K（1+μ）ε₁；

式中R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一横应变片21、第一竖应变片22、第二横应变片23和第二竖应变片24的电阻，△R₁、△R₂、△R₃、△R₄分别为各应变片电阻值R₁、R₂、R₃、R₄受力后产生的电阻变化量；K为应变片系数，μ为弹性体材料的泊松比，ε₁、ε₃为弹性体贴片区2的受力轴线方向的应变，ε₂、ε₄为弹性体贴片区2与受力后泊松比引起的横向压缩应变；K（1+μ）为常数，ε₁由变形控制体的材料特性、尺寸及作用力P决定；对于特定的传感器，材料特性及尺寸不变，于是所述传感器输出与作用力P之间的关系可表示成：

S=CP；

对特定的传感器C为常数。

当作用力P作用到上接头7和下接头8时，通过连接惠斯通电桥的指示仪表读出惠斯通电桥的输出信号S，再利用S=CP即可得到作用力P的大小。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (3)

1.具有偏载隔离功能的测力称重传感器，包括弹性体和组成电桥的应变片，其特征在于，所述的弹性体包括变形控制体(1)和设置在变形控制体(1)内的变形测量区，变形测量区包括贴片区(2)、分别设置在贴片区(2)上下端的刚性过渡区(3)和与刚性过渡区(3)连接的柔性弯矩隔离区(4)；柔性弯矩隔离区(4)和贴片区(2)为相互垂直的薄片；变形测量区上粘有四个应变片，变形测量区的贴片区(2)前表面(5)粘帖有两个应变片，与贴片区(2)前表面(5)对应位置的贴片区(2)后表面(6)粘帖有两个应变片；贴片区(2)前表面(5)的两个应变片分别为第一横应变片(21)和第一竖应变片(22)，贴片区(2)后表面(6)的两个应变片分别为第二横应变片(23)和第二竖应变片(24)，所述的第一横应变片(21)和第二横应变片(23)均为横向粘帖，第一竖应变片(22)和第二竖应变片(24)均为竖向粘帖；所述的四个应变片通过导线连接成惠斯通电桥；惠斯通电桥上还设有补偿元件；惠斯通电桥的输出端与指示仪表连接，指示仪表连有激励电源，惠斯通电桥的输入端连接激励电源；弹性体还包括设置在变形控制体(1)上端的上接头(7)和设置在变形控制体(1)下端的下接头(8)；变形控制体(1)为长方体或圆柱体，所述的变形控制体(1)上设有圆孔(10)，圆孔(10)与变形控制体(1)形成一个环形体；上接头(7)和下接头(8)为圆柱体或带螺纹的圆柱体；整个弹性体为一体式加工而成的合金钢弹性体或合金铝弹性体。

2.一种偏载力隔离测量方法，其特征在于，包括权利要求1所述的具有偏载隔离功能的测力称重传感器，需要测量的是作用到所述传感器的作用力P，当作用力P作用到上接头(7)和下接头(8)时，偏载引起等效干扰弯矩Mx、My被相互正交的柔性弯矩隔离区(4)和贴片区(2)所形成的柔性铰有效隔离，使得Mx、My不会影响到贴片区(2)的测量；再利用惠斯通电桥进行作用力P的测量；作用力P与惠斯通电桥的输出信号S之间可利用公式S＝CP计算，得出惠斯通电桥的输出信号S与作用力P的大小成正比。

3.根据权利要求2所述的一种偏载力隔离测量方法，其特征在于，所述传感器的输出信号S即惠斯通电桥的输出信号S可表示成：

$\begin{array}{c}S=\frac{1}{4}(\frac{\mathrm{\Δ}{R}_1}{R_1}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_2}{R_2}+\frac{\mathrm{\Δ}{R}_3}{R_3}-\frac{R_4}{R_4})\\ =\frac{K}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)\end{array}$

根据弹性力学，ε₂＝-με₁，令其中ε₁＝ε₃，ε₂＝ε₄；

惠斯通电桥的输出信号S可表示成：S＝K(1+μ)ε₁；

式中R₁、R₂、R₃和R₄分别为第一横应变片(21)、第一竖应变片(22)、第二横应变片(23)和第二竖应变片(24)的电阻，ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别为各应变片电阻值R₁、R₂、R₃、R₄受力后产生的电阻变化量；K为应变片系数，μ为弹性体材料的泊松比，ε₁、ε₃为弹性体贴片区(2)的受力轴线方向的应变，ε₂、ε₄为弹性体贴片区(2)与受力后泊松比引起的横向压缩应变；K(1+μ)为常数，ε₁由变形控制体的材料特性、尺寸及作用力P决定；对于特定的传感器，材料特性及尺寸不变，于是所述传感器输出与作用力P之间的关系可表示成：

S＝CP；

对特定的传感器C为常数。