CN104280158A - 一种用于拉力试验机的多层力值传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于拉力试验机的多层力值传感器，包括压力筒、感应弹簧、限位法兰和位移传感器，所述压力筒为上下端面设有上大下小沉孔的纵剖面类似“H”形的圆筒体，下端设有外凸缘，外凸缘上开有轴向沟槽，压力筒的下端插入另一个压力筒的上沉孔中构成具有封闭压力腔的多层多腔塔状结构体；所述感应弹簧竖直安置在封闭压力腔内；所述限位法兰套装在压力筒的外圆上与被插入压力筒的上端平面固定连接，限位法兰内圆周面对应压力筒外凸缘上开设的沟槽处开有相同的轴向沟槽；所述位移传感器一端安置在限位法兰内圆周面开有的轴向沟槽中，另一端安置在压力筒外凸缘开设的沟槽中。本发明具有较宽的力值传感器量程和测量区间的调整范围以及较强的抗过载能力。

Description

一种用于拉力试验机的多层力值传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及力值传感器，特指一种船用锚链拉力试验机的力值传感器，属于力学测量传感器领域。 

背景技术

锚链拉力载荷试验，是将锚链直接夹持到锚链拉力试验机上进行拉力载荷试验，在同一台机器上，不仅要对大吨位锚链进行拉力试验，同时也要对小吨位锚链进行拉力试验；根据国家标准GB/T549-2008要求，同一根锚链不仅要对其进行工作拉力载荷试验，保证锚链在“5.3……规定的拉力载荷下，永久伸长应不超过原始长度的5％,”此外，还要对其进行破断载荷试验，所谓锚链破断载荷试验是指：按标准要求抽取一组三个链环或五个链环，对其按拉力载荷值的140％～150％的力值进行破断载荷试验，在试验后，保证锚链在“5.2……规定的破断载荷下不应出现断裂迹象。”；此外对于新产品锚链的试验，往往是先设定其变形量，然后通过加载使其变形达到设定，以确定锚链的强度；因此锚链拉力试验机的力值传感器不仅需要超宽量程，而且要具备较强的过载能力。目前市场上的拉力机大力值传感器一般用轮幅式传感器，传感器内部一般为电阻应变片式，这种传感器虽然测量体积小、精度高，但是，传感器量程范围窄，因此不适合在锚链拉力试验机上使用。 

为扩大传感器量程范围，专利公开号为CN93017843A的发明专利公开了一种双量程式压力传感机构，包括底座,在底座的上方设有第一压力传感器，在第一压力传感器上方设有套筒，在套筒内设有第二压力传感器，在第二压力传感器的下端与第一压力传感器的上端之间设有弹簧，第二压力传感器的量程小于第一压力传感器的量程。通过将二个不同量程的传感器利用弹簧简单地隔离叠加，虽能扩大部分量程，但并不能保证其测量区间和量程一定能够满足锚链拉力机的工作需求。此外，使用这种二层叠加传感器，如果进行新品锚链测试，当试验值超出该“双量程式压力传感机构”的测量范围时，不仅使试验测试值失真，而且还可能因为第一传感器无过载保护，而导致传感器失效。 

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有力值传感器量程窄，过载欠保护的问题和缺陷，同时为满 足锚链拉力试验机上使用的要求，提供一种用于拉力试验机的多层力值传感器及其测量方法。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是： 

一种用于拉力试验机的多层力值传感器，包括压力筒、感应弹簧、限位法兰和位移传感器，所述压力筒为上、下端面分别设有上大下小沉孔的纵剖面类似“H”形的圆筒体，下端设有外凸缘，外凸缘上开设有一条轴向沟槽，所述压力筒的下端插入另一个压力筒的上沉孔中构成具有封闭压力腔的多层多腔塔状结构体；所述感应弹簧竖直安置在每个封闭压力腔内；所述限位法兰套装在所述压力筒的外圆上与被插入压力筒的上端平面固定连接，限位法兰内圆周面对应压力筒外凸缘上开设的沟槽处开设有相同的轴向沟槽；所述位移传感器的一端安置在限位法兰内圆周面开设有的轴向沟槽中，另一端安置在压力筒外凸缘开设的沟槽中。 

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。 

上述所述的多层力值传感器还设有导向装置，所述导向装置是指在上压力筒外侧设置的凸台与设置在被其轴向限位的限位法兰的内侧滑槽相配合，限制上压力筒在下压力筒内相对转动。 

上述所述压力筒的上、下型腔沿着筒体中轴线设有螺纹孔将其贯穿，并在下型腔利用螺纹中心孔中连接固定着一根有上下插入活动连接的圆管形芯轴，且上一层芯轴的外径小于下一层芯轴的内径，最下层压力筒不设置芯轴。 

上述所述的多层多腔塔状结构体为三层两腔，压力筒为圆形，且上型腔直径大于下型腔直径，筒体上下端面均设有螺纹孔。 

上述所述上压力筒的外径大于下一层压力筒的下型腔直径，且上层压力筒下端设有的外凸缘底部凸圆的外径与下一层压力筒的上型腔沉孔直径相适应。 

上述所述感应弹簧为碟形弹簧。且不同层压力筒内安置的碟形弹簧的弹性模量，从上到下逐层增加。 

上述所述碟形弹簧，相邻两层弹簧的测量力设置有10％的重叠区。 

为了达到上述目的，本发明采用的另一个技术方案是： 

本发明的一种拉力试验机的多层力值传感器的检测方法，包括以下步骤： 

1、检测各层感应弹簧的弹性模量E，校验位移变换系数k，各位移传感器的预紧力大于感应弹簧最小线性压力，位移传感器的显示值区间在传感器弹簧可压缩的有效行程的5％～95％之间，位移传感器最小压力显示值Fmin对应其有效行程为5％，位移传感器最大压力显示值Fmax对应其有效行程为95％，且上层Fmax等于下层Fmin； 

2、根据工作要求，估测位移传感器的量程和测量区间，从上到下，由小到大，第一层、 第二层……组装成位移传感器组，并利用其上下端面通过法兰将其安装到压力机上； 

3、将多层力值传感器上的位移传感器通过导线和信号变送器与计算机相连，并保持测量通道与计算机显示相对应； 

4、设置测量参数，校验位移传感器，将把步骤1确定的参数值输入计算机，校验各层位移传感器的最小值，根据“胡克定律”确定拉力机的压力值为： 

F＝Fmin+E·k·∣x∣，x为传感器在F＝Fmin时为0的位移变量； 

5、计算机数据处理：当拉力机工作时，拉力小于第一层位移传感器的Fmin时，计算机不显示，计算机报警，按步骤1～步骤4在位移传感器组上面再添加一个位移传感器；当拉力机工作时，拉力到达第一层位移传感器Fmax时，计算机自动读取显示第二层位移传感器数值，以此类推读取第三层；当拉力机工作时拉力超出最下层位移传感器量程时，计算机报警，按步骤1～步骤4在位移传感器组下面再添加一个位移传感器； 

6、测试完成，拉力机卸荷，系统复位，关闭电源。 

本发明一种拉力试验机的多层力值传感器，通过弹簧作为拉力机传感器的拉力感应元件，利用限位法兰，保证弹簧在传感器上有足够的预警力，此外在上下压力筒的压力腔完全闭合状态下，仍然能够保证传感器内部的弹簧在其弹性范围内，从而满足了传感器的高线性度与高重复度的要求，为获得稳定的传感器测量精度提供了保证；通过多层压力筒“宝塔”外形组合设计，在每层之间，通过改变每层弹簧的弹性模量，从上到下，弹簧的弹性模量逐步增大，从而满足不同级别锚链的等精度测量，也减小了传感器的外形尺寸；此外，多层传感器的组合设计，即在现有传感器压力筒的上层或下层都可以增加或减少传感器，可以非常方便地增加或减少其测量量程，调整测量区间；为了提高传感器抗过载能力，通过结构设计，使得上下压力筒的压力腔在完全闭合状态下，上压力筒上的力能够直接传递到下压力筒上，从而满足拉力机对传感器的抗过载能力的要求。 

综上所述，本发明利用多组弹簧作为拉力机传感器的拉力感应元件，不仅具有很高的线性度与重复度，而且其量程和测量区间的调整可以轻松实现，同时通过结构设计，使得该传感器具有较强的抗过载能力。 

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，该实施例，是参照附图仅作为例子给出的。 

附图说明

图1为本发明的力值传感器结构示意图， 

图2为图1的俯视图， 

图3为本发明的检测方法流程图。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的描述： 

如图1至图2所示，一种用于拉力试验机的力值传感器，由压力筒、感应弹簧、限位法兰、位移传感器和导向装置构成，所述压力筒从上到下为三层，即压力筒12、22、32，其结构相同均为圆形筒状体，在三层压力筒内中部分别设有隔板12b、22b、32b，在压力筒下底部还设有开着缺口12d、22d、32d的环形法兰12c、22c、32c，环形法兰12c、22c分别嵌入在压力筒22、32的上型腔内，形成二个封闭的压力腔A、B；在压力腔A、B内分别安置碟形弹簧14、24；所述限位法兰21、31也设有缺口21a、31a，与环形法兰上的缺口12d、22d相对应，通过螺钉13、23固定在压力筒上平面22a、32a上；所述位移传感器16、26的两端分别固定在12d-21a以及22d-31a的缺口内；所述导向装置18、28为上压力筒12、22的外侧固定的键18a、28a与限位法兰21、31上的键槽18b、28b相配合,保证压力筒12、22、32之间只有相对移动，不能相对转动。 

此外，在隔板12b、22b、32b上沿着筒体中轴线设有螺纹通孔，在压力筒12、22的下型腔内，通过隔板12b、22b上的螺纹通孔分别固定着一根圆管芯轴15、25，且圆管芯轴15的外径小于圆管芯轴25的内径，保证圆管芯轴15能够方便插入到圆管芯轴25的管孔内，圆管芯轴15、25的作用是为碟形弹簧14、24提供内孔定位；此外压力筒12、22、32的上下端面均设有螺纹孔，以方便互相之间或与设备的连接。 

本实施例既可以按图示垂直安装在拉力机设备上，作为立式拉力机的传感器，也可以将其中心线放置于水平面平行，利用其上下端面上的螺纹孔进行水平安装在卧式拉力机上使用。本实施例上下层传感器弹簧的压缩量相同，但下层弹簧的弹性模量是上层弹簧的弹性模量的10倍；下层传感器通过限位法兰对预紧力的调节，与上层传感器有10％的测量值重叠区，保证检测的连贯性；拉力机工作时将压力传递给传感器的压力筒，上传感器压力筒内的弹簧将先被压缩产生位移，其位移量将通过传感器上的位移传感器传递到计算机内进行处理，根据弹簧的“胡克定理”，能够精确取得拉力机的工作拉力；当工作拉力到达上下传感器的量值重叠区的某个特定值时，计算机通过判断，自动读取下传感器的位移值，此时继续加大压力值，上传感器上的压力筒12的底部将压在压力筒22的隔板22b上，从而保护了上传感器的测量元件和弹性元件。 

此外，如图1、图3所示，本实施例的测量方法包括以下步骤： 

1)、检测第一层压力传感器弹簧14的弹性模量E1和第二层压力传感器弹簧25的弹性模 量E2，校验第一层位移传感器16的位移变换系数k1和第二层位移传感器26的位移变换系数k2；本实施例传感器弹簧预紧力(大于弹簧最小线性压力)：第一层约为108kN，第二层约为1080kN；传感器弹簧最小压力显示值：第一层为120kN，第二层为1200kN；传感器弹簧最大压力显示值：第一层为1200kN，第二层为12000kN(即传感器弹簧第一层最大压力显示值等于第二层最小压力显示值)；传感器显示值区间：在弹簧可压缩行程约5％～95％区间内。 

2)、根据工作要求，传感器组的量程和测量区间为120kN～12000kN，并将小传感器放在第一层、大的放在第二层组装成压力传感器组，且利用传感器组两端端面通过法兰将其安装到压力机上； 

3)、将双层压力传感器上的位移传感器16、通过导线和信号变送器2与计算机1相连，并保持测量通道与计算机显示相对应； 

4)、设置测量参数，校验传感器，将把步骤1)确定的参数值输入计算机，校验各层传感器的最小值，根据“胡克定律”确定拉力机的压力值为： 

F＝Fmin+E·k·∣x∣，x为传感器在F＝Fmin时为0的位移变量； 

5)、计算机数据处理：当拉力机工作时，拉力小于120kN时，计算机不显示，输出报警,按步骤1)～步骤4)在传感器组上面再添加一个更小传感器；当拉力机工作时，拉力到达第一层传感器1200kN时，计算机自动读取显示第二层传感器数值；当拉力机工作时拉力超出12000kN时，计算机报警,按步骤1)～步骤4)在传感器组下面再添加一个大传感器；。 

6)、测试完成，拉力机卸荷，系统复位，关闭电源，以便下次测试； 

本实施例还可以利用传感器上下端面上的螺纹孔，固定一个独立的平台，利用平台进行独立的压力检测，以扩大其使用范围 。

Claims (7)

1.一种用于拉力试验机的多层力值传感器，包括压力筒、感应弹簧、限位法兰和位移传感器，其特征在于：所述压力筒为上、下端面分别设有上大下小沉孔的纵剖面类似“H”形的圆筒体，下端设有外凸缘，外凸缘上开设有一条轴向沟槽，所述压力筒的下端插入另一个压力筒的上沉孔中构成具有封闭压力腔的多层多腔塔状结构体；所述感应弹簧竖直安置在每个封闭压力腔内；所述限位法兰套装在所述压力筒的外圆上与被插入压力筒的上端平面固定连接，限位法兰内圆周面对应压力筒外凸缘上开设的沟槽处开设有相同的轴向沟槽；所述位移传感器的一端安置在限位法兰内圆周面开设有的轴向沟槽中，另一端安置在压力筒外凸缘开设的沟槽中。

2.根据权利要求1所述的用于拉力试验机的多层力值传感器，其特征在于：所述的多层力值传感器还设有导向装置，所述导向装置是在所述压力筒外圆上设置一凸块，在所述限位法兰内圆周面上设置与凸块相配合的轴向滑槽。

3.根据权利要求1所述的用于拉力试验机的多层力值传感器，其特征在于：所述压力筒的上、下沉孔之间还开设有螺纹中心孔，螺纹中心孔中连接有上下插入式活动连接的圆管形芯轴，上一层芯轴的外径小于下一层芯轴的内径，最下层压力筒不设置芯轴。

4.根据权利要求1所述的用于拉力试验机的多层力值传感器，其特征在于：所述的多层多腔塔状结构体为三层两腔，且上层压力筒下端设有的外凸缘的外径小于下一层压力筒的上沉孔直径。

5.根据权利要求1所述的用于拉力试验机的多层力值传感器，其特征在于：所述感应弹簧为碟形弹簧，且不同层压力筒内安置的碟形弹簧的弹性模量，从上到下逐层增加。

6.根据权利要求1所述的用于拉力试验机的多层力值传感器，其特征在于：所述碟形弹簧，相邻两层弹簧的测量力设置有10％的重叠区。

7.一种根据权利要求1所述的用于拉力试验机的多层力值传感器的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、检测各层感应弹簧的弹性模量E，校验位移变换系数k，各位移传感器的预紧力大于感应弹簧最小线性压力，位移传感器的显示值区间在传感器弹簧可压缩的有效行程的5％～95％之间，位移传感器最小压力显示值Fmin对应其有效行程为5％，位移传感器最大压力显示值Fmax对应其有效行程为95％，且上层Fmax等于下层Fmin；

(2)、根据工作要求，估测位移传感器的量程和测量区间，从上到下，由小到大，第一层、第二层……组装成位移传感器组，并利用其上下端面通过法兰将其安装到压力机上；

(3)、将多层力值传感器上的位移传感器通过导线和信号变送器与计算机相连，并保持测量通道与计算机显示相对应；

(4)、设置测量参数，校验位移传感器，将把步骤1确定的参数值输入计算机，校验各层位移传感器的最小值，根据“胡克定律”确定拉力机的压力值为：

F＝Fmin+E·k·∣x∣，x为传感器在F＝Fmin时为0的位移变量；

(5)、计算机数据处理：拉力机工作时，当拉力小于第一层位移传感器的Fmin时，计算机不显示,计算机报警,即拉力机欠量程时，按步骤1～步骤4在位移传感器组上面再添加一个位移传感器；当拉力达到第一层位移传感器Fmax时，计算机自动读取显示第二层位移传感器数值，以此类推读取第三层；当拉力超出最下层位移传感器量程时，计算机报警,即拉力机超量程时，将按步骤1～步骤4在位移传感器组下面再添加一个位移传感器；

(6)、测试完成，拉力机卸荷，系统复位，关闭电源。