CN103884458B - 一种细杆双向内力测量传感器及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细杆双向内力测量传感器，包括两个相同的对称设置的夹板，两个夹板背对背固定在一起，两个夹板之间的距离可调，两个夹板之间留有缝隙；每个夹板的背面设有卡槽和凹槽，所述卡槽与凹槽在一条直线上，所述卡槽与细杆适配，所述细杆卡在卡槽内并从凹槽中穿过而不与凹槽接触；每个夹板的正面设有压力测量单元，所述压力测量单元的位置与卡槽相对；每个夹板上与凹槽相对的位置还开有拉压力测量孔，在拉压力测量孔的内壁处设置有拉压力测量装置。通过保证细杆的夹持力不变的情况下，多角度测量细杆在轴向受到的压力与拉力，并最终反应成力与电压之间的关系式，之后实际使用是，只需读取相应的电压即可反应出被测细杆内力的大小。

Description

一种细杆双向内力测量传感器及标定方法

技术领域

本发明涉及力的无损检测领域，特别是一种适用于细杆内力检测的传感器及标定方法。

背景技术

现代工程中需要使用大量的杆件构成设备的框架，这种结构具有稳固、质量轻便等优点，为了能够使设备的框架的受力均匀，达到最优的设计状态，需要对各种杆件所受的拉压力进行检测，用以确定杆件在设备中所受力值的大小。要准确地了解杆件在设备中实际的状态，需要选择适当的测量设备及测量方法。

当今，在工程中所使用的杆件内力测量方法主要有(1)应变计法；(2)磁通法；(3)频率法。应变计法是将应变片粘贴在待测杆件上，该方法需要对每个杆件粘贴应变片，在大量杆件的测量中需要耗费大量的人力，并且会损害杆件的表面。磁通量法是一种无损检测方法，使用单个的检测设备即可完成大量杆件的检测，但是该方案在当今的技术条件下，难以达到较高的精确度。频率法能够有效的排除各种噪声的干扰，在大量程的杆件中，如：桥梁、建筑中使用率很高。但是频率法的测量精度会受杆件的弯曲度，杆件的长度等参数的影响。因此，有必要提供一种新的测量方法来满足工程中杆件的无损、高精度、操作简单以及通用的测量装置。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种细杆双向内力检测传感器及标定方法，解决现有技术中的各种杆件内力测量方法无法同时满足测量无损、精度高且稳定性高、通用度广的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种细杆双向内力测量传感器，包括两个相同的对称设置的夹板，两个夹板背对背固定在一起，两个夹板之间的距离可调，两个夹板之间留有缝隙；每个夹板的背面设有卡槽和凹槽，所述卡槽与凹槽在一条直线上，所述卡槽与细杆适配，所述细杆卡在卡槽内并从凹槽中穿过而不与凹槽接触；每个夹板的正面设有压力测量单元，所述压力测量单元的位置与卡槽相对；每个夹板上还设有拉压力测量单元，包括对准凹槽位置的拉压力测量孔和位于拉压力测量孔上下侧的两个缺口，上下两个缺口的开口相背，上下两个缺口及拉压力测量孔整体呈S型，在拉压力测量孔的垂直于卡槽和凹槽所在直线方向的内壁处设置有拉压力测量装置。

本发明装置，通过卡槽将细杆卡住，同时细杆穿越凹槽而不接触，故整个装置只有卡槽与细杆接触，并且两个夹板之间留有一定的缝隙，使得两个夹板之间形成一个类似于跷跷板结构，保证卡槽对应处的压力测量单元能够正常工作，可以测出细杆与夹板之间的压力，在随后的标定中，只有保证该压力恒定，才能保证标定的准确度。S形的拉压力测量单元是拉压力传感器常使用的结构，为一种经典的设计，这样的设计使得夹板在受到拉压力作用时，拉压力测量装置处受到最大的应力，从而完成拉压力的测量。

进一步的，在本发明中，两个夹板上设有安装孔，安装孔内设有螺栓。通过螺栓固定，一方面可以调节松紧，使得每次夹紧细杆的压力相同，重复性好。

进一步的，在本发明中，每个夹板上的拉压力测量装置有2个，分别设置于对称的两个内壁上，位于同一个夹板上的拉压力测量装置组成的应变电桥经放大电路放大后，由A/D转换电路转换成数字信号进而显示出拉压力测量装置上的测量电压。两个夹板上的两组拉压力测量装置形成互补的状态，即两个测量电压之间互为补偿，一个作为测力用，另一个作为补偿用，避免设置在单个夹板上的拉压力测量装置因安装误差、细杆弯曲等导致测量不准确。

本装置的标定方法如下：利用夹板的卡槽将细杆卡住，调整螺栓松紧度，记录压力测量单元的力值F，然后按照以下步骤进行标定，

步骤一、标定拉力：在细杆两端分别固定拉环，在拉环上穿装有拉绳，细杆的一端拉绳悬吊固定使得细杆及夹板均处于垂直状态，此时记录拉压力测量装置经放大、转换后输出的未施加拉力情况下的拉力零点电压；然后在处于下方的拉绳上依次悬吊砝码，并同时记录不同数量砝码对应的两个夹板上的拉压力测量装置测到的一组测量电压，直至达到电压表的满量程，完成一次拉力标定；此后，将两个夹板同时绕细杆的圆周依次顺序旋转60°，每旋转一次到位后再次拧紧螺栓使得压力测量单元的力值为F，然后均按照同样的方法完成一次拉力标定，直至前后总共完成6次拉力标定，得到6组测量电压值共12个电压值，将每组测量电压值的2个电压值分别减去拉力零点电压后相加，共得到6组补偿后的测量电压；

步骤二、标定压力：将拉环去除，调整螺栓松紧度，使得压力测量单元的力值为F，在细杆两端分别安装托盘，所述托盘垂直于细杆，将其中一个托盘放置于水平台面上使得细杆及夹板均处于垂直状态，此时记录拉压力测量装置经放大、转换后输出的未施加压力情况下的压力零点电压；然后在处于上方的托盘上依次加载砝码，并同时记录不同数量砝码对应的两个夹板上的拉压力测量装置测到的一组测量电压，直至达到电压表的满量程，完成一次压力标定；此后，将两个夹板同时绕细杆的圆周依次顺序旋转60°，每旋转一次到位后再次拧紧螺栓使得压力测量单元的力值为F，然后均按照同样的方法完成一次压力标定，直至前后总共完成6次压力标定，得到6组测量电压值共12个电压值，将每组测量电压值的2个电压值分别减去压力零点电压后相加，共得到6组补偿后的测量电压；

步骤三、求解计算式：将标定过程中依次增加砝码后对应的加载的力值作为横坐标，对应的12组补偿后的测量电压作为纵坐标，其中根据加载的力的方向取力值的正负，补偿后的测量电压的正负与其对应的加载的力的正负相同，绘制二维坐标图，并对数据采用最小二乘拟合得到力-电压关系式：u＝k·f，其中u为补偿后的测量电压，k为二维坐标图的斜率，f为砝码的总重力，对上述关系式中的k求倒数，得到细杆双向内力测量传感器的计算式：f＝k^-1·u。

通过将细杆的拉压力均进行6次标定，得到12组补偿后的测量电压和对应的力值，以此制成的二维坐标图，并做最小二乘拟合，将误差降到可接受范围，能准确地反应出测量电压与对应力值的关系。之后的使用过程只需保证压力测量单元上的力与标定时保持一致，即两个夹板夹持细杆的力不变的情况下，读出的拉压力测量单元的测量电压即为细杆的内力。

有益效果：本发明提供的细杆双向内力测量传感器及标定方法，相对于现有技术具有如下优点：1、引入了压力测量单元，能够保证在每次安装时拉压力测量单元对细杆的压力具有一致性，在对不同的细杆测量中，具有重复性好的特点；2、采用两个互为补偿的拉压力测量单元，能够在细杆有一定弯曲度的情况下，依然可以精确地测量细杆的内力；3、测量过程对杆件无损伤，不影响杆件在设备中的工作状态。因此，本发明可以实现无损测量且准确度高、通用度广的目的。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的夹板正面的结构示意图；

图3为本发明的夹板背面的结构示意图；

图4为本发明装置的拉力标定示意图；

图5为本发明装置的压力标定示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，一种细杆双向内力测量传感器，包括两个相同的对称设置的夹板1，两个夹板1上分别设有4个安装孔11，安装孔11内均设有螺栓，每个夹板1的背面设有2个卡槽2和2个凹槽3，如图3所示，卡槽2与凹槽3在一条直线上，且凹槽3位于两个卡槽2之间，所述卡槽2与细杆4适配，而凹槽3的尺寸较大，将所述细杆4卡在2个卡槽2内，细杆4位于2个卡槽2之间的杆体从凹槽3中穿过而不与凹槽3接触；两个夹板1通过螺栓背对背地固定在一起，通过改变螺栓的松紧可调节两个夹板1之间的距离，从而改变两个夹板1之间的夹紧力。每个夹板1的正面还设有应变片制成的压力测量单元5，所述压力测量单元5的位置与卡槽2相对，压力测量单元5的下方处的夹板1构成弹性梁，能够测量出两个夹板1对细杆4的压力；每个夹板1上还设有拉压力测量单元，包括对准凹槽3位置的拉压力测量孔6和位于拉压力测量孔6上下侧的两个缺口，上下两个缺口的开口相背，上下两个缺口及拉压力测量孔6整体呈S型，在拉压力测量孔6中垂直于卡槽2和凹槽3所在直线方向的对称的两个内壁上设置有2组拉压力测量装置7，这2个拉压力测量装置7也为应变片，同一个夹板1上的两个应变片组成应变电桥，两块夹板1上的2组拉压力测量装置7形成测力补偿单元。

下面就本发明装置如何标定进行详细说明。本发明的标定主要分为拉力标定和压力标定两个过程，最后根据前面两个过程记录及检测到的力与测量电压做进一步处理得到最终的计算式。

具体地，按照上述介绍，利用夹板1的卡槽2和螺栓配合一起将细杆4卡住，调节螺栓的松紧度，使得之后标定过程中以及标定好后实际用于测量过程中的夹板1上压力测量单元5的力值均保持同一个值，即夹板1夹持细杆的压力始终不变，然后按照以下步骤进行标定：

步骤一、拉力标定：在细杆4两端分别固定拉环8，在拉环8上穿装有拉绳，细杆4的一端拉绳悬吊固定使得细杆4及夹板1均处于垂直状态，此时记录拉压力测量装置7经放大、转换后输出的未施加拉力情况下的拉力零点电压；然后在处于下方的拉绳上依次悬吊砝码9，并同时记录不同数量砝码9对应的拉压力测量装置7上的测量电压，直至达到电压表的满量程，完成一次拉力标定；此后，松开螺栓，将两个夹板1同时绕细杆4的圆周依次顺序旋转60°，每旋转一次到位后再次拧紧螺栓，并且通过观察压力测量单元5的力值与上次相同，然后均按照同样的方法完成一次拉力标定，直至前后总共完成6次拉力标定，得到6组测量电压值共12个电压值，将每组测量电压值的2个电压值分别减去拉力零点电压后相加，共得到6组补偿后的测量电压；

步骤二、压力标定：将拉环8去除，调整螺栓松紧度，使得压力测量单元5的力值为F，在细杆4两端分别安装托盘10，所述托盘10垂直于细杆4，将其中一个托盘10放置于水平台面上使得细杆4及夹板1均处于垂直状态，此时记录拉压力测量装置7经放大、转换后输出的未施加压力情况下的压力零点电压；然后在处于上方的托盘10上依次加载砝码9，并同时记录不同数量砝码9对应的两个夹板1上的拉压力测量装置7测到的一组测量电压，直至达到电压表的满量程，完成一次压力标定；此后，将两个夹板1同时绕细杆4的圆周依次顺序旋转60°，每旋转一次到位后再次拧紧螺栓使得压力测量单元5的力值为F，然后均按照同样的方法完成一次压力标定，直至前后总共完成6次压力标定，得到6组测量电压值共12个电压值，将每组测量电压值的2个电压值分别减去压力零点电压后相加，共得到6组补偿后的测量电压；

步骤三、求解计算式：将标定过程中依次增加砝码后对应的加载的力值作为横坐标，对应的12组补偿后的测量电压作为纵坐标，其中根据加载的力的方向取力值的正负，补偿后的测量电压的正负与其对应的加载的力的正负相同，绘制二维坐标图，并对数据采用最小二乘拟合得到力-电压关系式：u＝k·f，其中u为补偿后的测量电压，k为二维坐标图的斜率，f为砝码的总重力，对上述关系式中的k求倒数，得到细杆4双向内力测量传感器的计算式：f＝k^-1·u。

通过上述方法标定好本发明装置后，对与标定时的细杆4相同粗细的细杆均可进行内力测试。在实际使用中，只需将待测细杆夹持到凹槽3中，并用螺栓固定，保持压力测量单元5的力值与标定时的相同；在未对细杆4施加力时，分别读取两个拉压力测量装置7经放大、转换后得到的零点电压；在对细杆施加力后，再读取两个拉压力测量装置7输出的电压，对输出的两组电压分别减去各自的零点电压后相加得到电压值u，带入计算式中f＝k^-1·u，即可计算得到细杆4的内力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种细杆双向内力测量传感器，其特征在于：包括两个相同的对称设置的夹板（1），两个夹板（1）背对背固定在一起，两个夹板（1）之间的距离可调，两个夹板（1）之间留有缝隙；每个夹板（1）的背面设有卡槽（2）和凹槽（3），所述卡槽（2）与凹槽（3）在一条直线上，所述卡槽（2）与细杆（4）适配，所述细杆（4）卡在卡槽（2）内并从凹槽（3）中穿过而不与凹槽（3）接触；每个夹板（1）的正面设有压力测量单元（5），所述压力测量单元（5）的位置与卡槽（2）相对；每个夹板（1）上还设有拉压力测量单元，包括对准凹槽（3）位置的拉压力测量孔（6）和位于拉压力测量孔（6）上下侧的两个缺口，上下两个缺口的开口相背，上下两个缺口及拉压力测量孔（6）整体呈S型，在拉压力测量孔（6）的垂直于卡槽（2）和凹槽（3）所在直线方向的内壁处设置有拉压力测量装置（7）。

2.根据权利要求1所述的一种细杆（4）双向内力测量传感器，其特征在于：两个夹板（1）上设有安装孔（11），安装孔（11）内设有螺栓。

3.根据权利要求1所述的一种细杆（4）双向内力测量传感器，其特征在于：每个夹板（1）上的拉压力测量装置（7）有2个，分别设置于对称的两个内壁上，位于同一个夹板（1）上的拉压力测量装置（7）组成的应变电桥经放大电路放大后，由A/D转换电路转换成数字信号进而显示出拉压力测量装置（7）上的测量电压。

4.一种细杆双向内力测量传感器的标定方法，其特征在于：利用夹板（1）的卡槽（2）将细杆（4）卡住，调整螺栓松紧度，记录压力测量单元（5）的力值F，然后按照以下步骤进行标定，

步骤一、标定拉力：在细杆（4）两端分别固定拉环（8），在拉环（8）上穿装有拉绳，细杆（4）的一端拉绳悬吊固定使得细杆（4）及夹板（1）均处于垂直状态，此时记录拉压力测量装置（7）经放大、转换后输出的未施加拉力情况下的拉力零点电压；然后在处于下方的拉绳上依次悬吊砝码（9），并同时记录不同数量砝码（9）对应的两个夹板（1）上的拉压力测量装置（7）测到的一组测量电压，直至达到电压表的满量程，完成一次拉力标定；此后，将两个夹板（1）同时绕细杆（4）的圆周依次顺序旋转60°，每旋转一次到位后再次拧紧螺栓使得压力测量单元（5）的力值为F，然后均按照同样的方法完成一次拉力标定，直至前后总共完成6次拉力标定，得到6组测量电压值共12个电压值，将每组测量电压值的2个电压值分别减去拉力零点电压后相加，共得到6组补偿后的测量电压；

步骤二、标定压力：将拉环（8）去除，调整螺栓松紧度，使得压力测量单元（5）的力值为F，在细杆（4）两端分别安装托盘（10），所述托盘（10）垂直于细杆（4），将其中一个托盘（10）放置于水平台面上使得细杆（4）及夹板（1）均处于垂直状态，此时记录拉压力测量装置（7）经放大、转换后输出的未施加压力情况下的压力零点电压；然后在处于上方的托盘（10）上依次加载砝码（9），并同时记录不同数量砝码（9）对应的两个夹板（1）上的拉压力测量装置（7）测到的一组测量电压，直至达到电压表的满量程，完成一次压力标定；此后，将两个夹板（1）同时绕细杆（4）的圆周依次顺序旋转60°，每旋转一次到位后再次拧紧螺栓使得压力测量单元（5）的力值为F，然后均按照同样的方法完成一次压力标定，直至前后总共完成6次压力标定，得到6组测量电压值共12个电压值，将每组测量电压值的2个电压值分别减去压力零点电压后相加，共得到6组补偿后的测量电压；

步骤三、求解计算式：将标定过程中依次增加砝码后对应的加载的力值作为横坐标，对应的12组补偿后的测量电压作为纵坐标，其中根据加载的力的方向取力值的正负，补偿后的测量电压的正负与其对应的加载的力的正负相同，绘制二维坐标图，并对数据采用最小二乘拟合得到力-电压关系式：u＝k·f，其中u为补偿后的测量电压，k为二维坐标图的斜率，f为砝码的总重力，对上述关系式中的k求倒数，得到细杆（4）双向内力测量传感器的计算式：f＝k^-1·u。