CN105004464A - 一种环形矢量压力传感器及其压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形矢量压力传感器及其压力测量方法，包括内环及外环，还包括四组由压力敏感元件、信号采集及处理器、输出电路组成的感应电路，其中四个压力敏感元件的一端沿内环径向固定布置且相邻两个之间相互垂直，另一端分别连接信号采集及处理器；所述信号采集及处理器固定连接外环；所述压力敏感元件接收内环的作用力，及生成电压信号；所述信号采集及处理器采集电压信号并处理得到作用力值；所述输出电路将所得作用力值输出。方法包括：确定坐标系；生成电压信号；采集电压信号并计算得到X轴和Y轴上的作用力值；计算得到所测受力轴的受力大小及方向。本发明可测出受力轴任意点的受力情况，可进行力的动态精确追踪。

Description

一种环形矢量压力传感器及其压力测量方法

技术领域

本发明涉及一种环形矢量压力传感器及其压力测量方法，属于传感器的技术领域。

背景技术

随着电子测力产品使用在力学领域的发展，对测力仪器小型化、精确性以及计算方法简单化的要求也越来越高。压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器作为常用的测力精密仪器，备受关注。通过压力传感器来测试被测物体的压力值，连接电路设备经由显示设备对压力传感器所测的压力值进行显示输出。但就现有的压力传感器而言，在对物体进行力的接收时，虽然具有小型化和集成化、精度高等优点,但只能接收来自所附物体位置单个方向的力的大小，不能具体给出力的方向以及作用点的位置，在对不同的作用点施加力的过程中，使用上存在一定的局限性，不能很好的追踪物体所受力的位置的改变，在力作用的大小和方向上，对所附物体位置所受的正压、正拉力、压力差以及可以转变为力的变化的其他物理量大小进行单一的测量和控制，随着力作用点的移动，并不能准确测量给出实质所受力的大小和方向，而在对结果要求高的测量中，需准确的定位力的作用点位置以及力的方向，并给出相应的安全措施，因此，力的矢量特性的测量和读取是必不可少的。

所以，现有技术中，需要一种能将所测物体的力的矢量特性都精确显示的传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种环形矢量压力传感器及其压力测量方法，解决现有的压力传感器无法测量所测对象力大小、方向的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种环形矢量压力传感器，包括内环及外环，还包括四组由压力敏感元件、信号采集及处理器、输出电路组成的感应电路，其中四个压力敏感元件的一端沿内环径向固定布置且相邻两个压力敏感元件之间相互垂直，四个压力敏感元件的另一端分别连接信号采集及处理器的一端；所述每个信号采集及处理器的另一端固定连接于外环；所述压力敏感元件用于接收内环由所测受力轴产生的作用力，及生成电压信号输入信号采集及处理器；所述信号采集及处理器用于采集电压信号并进行处理得到作用力值；所述输出电路与信号采集及处理器连接，用于将所得作用力值输出。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述内环由刚性材料构成，且内环的内径等于所测受力轴的直径。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述外环由刚性材料构成。

一种基于上述环形矢量压力传感器的压力测量方法，包括以下步骤：

步骤1、确定坐标系：将内环中心点到任意一个信号采集及处理器所在直线确定为X轴，并在逆时针方向选取与之相邻的信号采集及处理器，由内环中心点到选取的信号采集及处理器所在直线确定为Y轴；

步骤2、获取与内环上受力点所在位置相邻的两个压力敏感元件，由两个压力敏感元件分别接收内环上由所测受力轴产生的作用力并生成电压信号；与该两个压力敏感元件连接的信号采集及处理器分别采集电压信号并计算得到X轴和Y轴上的作用力值；

步骤3、将所得X轴和Y轴上的作用力值进行计算，得到所测受力轴的受力大小及方向。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：步骤3还包括在确定所测受力轴的受力方向后，将该受力方向的延长线与内环内侧的交点确定为内环上的受力点。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

(1)、本发明提供的环形矢量压力传感器，利用作用力与反作用力的相互关系，内环接收来自所测受力轴的作用力，并将力传递接收，内环与压力敏感元件机械连接，压力敏感元件接收来自内环的作用力；信号采集及处理器一端与压力敏感元件连接，另一端与输出电路连接，外环作为固定装置将结构进行固定。由此结构给出所测受力轴任意点的受力情况，结构精准，计算方便。并且当沿轴的力位置发生改变时，通过内环与所测轴的紧密贴合，可以精确的捕捉到受力的改变，进行力的精确追踪。

(2)、进一步地，利用刚性材料构成环形矢量压力传感器，提高环形矢量压力传感器的稳定性以及使用寿命，并对信号采集及处理器起到保护作用。

(3)、本发明提供的压力测量方法，可在环形矢量压力传感器的基础上，测量所测受力轴任意点的受力情况，记录轴的受力并对信号进行矢量合成，经过分析处理精确的给出所测力的大小、方向，其大小和力的方向可直接根据矢量力平行四边形法则或者三角形法则进行计算得出，方法简单易懂，计算方便。且进一步的能够获得内环上的受力点，即为所测受力轴作用点，力的作用点位置为力所得受力轴受力方向的延长线与内环内侧的交点。因此，方法可以更好的用于压力测量过程，可进行力的动态精确追踪。

附图说明

图1为本发明环形矢量压力传感器的俯视图。

图2为本发明环形矢量压力传感器的剖视图。

图3为本发明环形矢量压力传感器部分结构的横向剖视图。

其中标号解释：1-内环，2-压力敏感元件，3-信号采集及处理器，4-外环，5-输出电路，6-线路。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1至3所示，本发明设计了一种环形矢量压力传感器，包括套置在所测受力轴上的内环1和连接内环1的外环4，其中内环1对所测受力轴传来的力，利用作用力与反作用力的相互关系进行接收，并将来自所测受力轴的力进行传递。该环形矢量压力传感器还包括四组由压力敏感元件2、信号采集及处理器3、输出电路5组成的感应电路，其中四组感应电路中四个压力敏感元件2的一端沿内环1径向固定布置且相邻两个压力敏感元件2之间相互垂直，四个压力敏感元件2的另一端分别连接信号采集及处理器3的一端；所述每个信号采集及处理器3的另一端固定连接于外环4；所述压力敏感元件2用于接收内环1由所测受力轴产生的作用力，及生成电压信号输入信号采集及处理器3；所述信号采集及处理器3用于采集电压信号并进行处理得到作用力值；所述输出电路5与信号采集及处理器3连接，用于将所得作用力值通过线路6输出。由此，使得每个感应电路的压力敏感元件2接收所测受力轴传递在内环1上的作用力，经信号采集及处理器3将电压信号经过计算得到作用力值后由输出电路5输出。四个信号采集及处理器3可分别接收来自所测受力轴外围各个方向和位置的受力，并经过信号的处理，可精确的给出所测力的大小后输出。由此结构给出所测受力轴任意点的受力情况，结构精准，可精确的捕捉到受力的改变。

在环形矢量压力传感器中，内环1优选为刚性材料制成的结构，即为刚性环，内径1根据所测受力轴直径进行制作，内环1的内径等于所测受力轴的直径，由此使得内环1可以根据所测受力轴的大小而设置，扩大环形矢量压力传感器的适用范围。

以及，外环4也可以优选为刚性材料制成的结构，厚度可大于信号采集及处理器3厚度，利用刚性材料的高硬度，提高环形矢量压力传感器的稳定性以及使用寿命，并对信号采集及处理器起到保护作用。

在上述环形矢量压力传感器的基础上，本发明还提出了一种压力测量方法，内环在将作用力传给外环四个信号采集及处理器中相邻两个，各信号采集处理器记录所测受力轴的受力并对信号进行矢量合成，具体实施步骤如下：

步骤1、确定坐标系。如图1所示，将4个信号采集及处理器中的竖直方向上的一个定义为A号信号采集及处理器，将顺时针转90°的水平方向上的与之相邻的一个定义为B号信号采集及处理器，同理，顺时针转向90°之后的竖直方向和水平方向的信号采集及处理器分别定为C号和D号；将内环的中心点到B号信号采集及处理器所在直线确定为X轴，并在逆时针方向选取与之相邻的A号信号采集及处理器，由内环中心点到选取的A号信号采集及处理器所在直线确定为Y轴，使得A号和C号信号采集及处理器相连形成的直线确定为Y轴，B号和D号信号采集及处理器相连形成的直线确定为X轴，由此确定由X轴和Y轴生成的坐标系。

步骤2、在所测受力轴产生作用力F时，根据作用力与反作用力的相互关系，作用在受力轴上的力传递给内环，内环外径上的压力敏感元件接收到力的信号，传给信号采集及处理器；本发明中在所测受力轴转动时，只有内环上受力点所在位置相邻的两个压力敏感元件受力，由两个压力敏感元件分别接收受力点的作用力并生成电压信号；与该两个压力敏感元件连接的信号采集及处理器分别采集电压信号并计算得到X轴和Y轴上的作用力值。本实施例中，如果受力点在坐标系的第一象限时，则只有作用点附近与A和B号信号采集及处理器对应的压力敏感元件受力，分别由A号信号采集及处理器对其电压信号采集并计算得到Y轴上的作用力值Fy，和B号信号采集及处理器对其电压信号采集并计算得到X轴上的作用力值Fx。

步骤3、提取在所测受力轴转动时一组X轴和Y轴上所得到作用力值，计算得到所测受力轴的受力大小及方向。即如图1所示的提取出A号和B号信号采集及处理器接收的力的信号，分别读取力为Fy和Fx的信号。

将读取力为Fy和Fx的信号进行处理之后，总的力的大小和力的方向可直接根据矢量力平行四边形法则或者三角形法则进行计算得出，得到所测受力轴所受力的大小为：

$F=\sqrt{F{x}^2+F{y}^2}$

并且，计算获得的所测受力轴所受力的方向为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arc}\tan \frac{\mathrm{Fy}}{\mathrm{Fx}}$

进一步地，在此基础上根据所测受力轴的受力方向确定与X轴之间的夹角，将夹角的延长线与受压侧内环的交点确定为内环上的受力点，即为力的作用点。如图1所示，A号、B号接收到力的信号并得到力的大小分别为Fy和Fx，根据力的平行四边形法则，得到力的大小F和与x轴的夹角θ的延长线与内环受压侧的交点为内环上的受力点E，即为力的作用点。可以精确的得到受力的象限位置。同理，当受力位置为其他象限点时，根据笛卡尔坐标系可以通过输出Fy和Fx的正负来确定。

因此，根据本发明的矢量传感器，可以精确的得到所受力的大小、作用点以及方向。可以给出所测轴任意点的受力情况，方法简单易懂，计算方便。并且当沿轴的力位置发生改变时，通过内环与轴的紧密贴合，可以精确的捕捉到受力的改变，进行力的精确追踪。并且，能够对轴受力的大小、方向、作用点能进行精确的记录收集，具有性能优良，收集准确度高的优点。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种环形矢量压力传感器，包括内环及外环，其特征在于：还包括四组由压力敏感元件、信号采集及处理器、输出电路组成的感应电路，其中四个压力敏感元件的一端沿内环径向固定布置且相邻两个压力敏感元件之间相互垂直，四个压力敏感元件的另一端分别连接信号采集及处理器的一端；所述每个信号采集及处理器的另一端固定连接于外环；所述压力敏感元件用于接收内环由所测受力轴产生的作用力，及生成电压信号输入信号采集及处理器；所述信号采集及处理器用于采集电压信号并进行处理得到作用力值；所述输出电路与信号采集及处理器连接，用于将所得作用力值输出。

2.根据权利要求1所述环形矢量压力传感器，其特征在于：所述内环由刚性材料构成，且内环的内径等于所测受力轴的直径。

3.根据权利要求1所述环形矢量压力传感器，其特征在于：所述外环由刚性材料构成。

4.一种基于权利要求1所述环形矢量压力传感器的压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定坐标系：将内环中心点到任意一个信号采集及处理器所在直线确定为X轴，并在逆时针方向选取与之相邻的信号采集及处理器，由内环中心点到选取的信号采集及处理器所在直线确定为Y轴；

步骤2、获取与内环上受力点所在位置相邻的两个压力敏感元件，由两个压力敏感元件分别接收内环上由所测受力轴产生的作用力并生成电压信号；与该两个压力敏感元件连接的信号采集及处理器分别采集电压信号并计算得到X轴和Y轴上的作用力值；

步骤3、将所得X轴和Y轴上的作用力值进行计算，得到所测受力轴的受力大小及方向。

5.根据权利要求4所述基于环形矢量压力传感器的压力测量方法，其特征在于：步骤3还包括在确定所测受力轴的受力方向后，将该受力方向的延长线与内环内侧的交点确定为内环上的受力点。