CN105043664B - 特种高温测力传感器标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特种高温测力传感器标定装置，包括力发生段、力测量段和高温加载段，所述力发生段、所述力测量段和所述高温加载段依次串联设置，所述力发生段包括推力螺栓、碟簧筒、碟簧压块、碟簧和碟簧推杆，所述力测量段包括测量段外筒、标定传感器和推力杆，所述高温加载段包括高温加载段外筒。本发明特种高温测力传感器标定装置将高温传感器伸入高温烘箱内，通过标定装置烘箱外的部分给高温传感器施加比较准确的压力，根据标定传感器对此压力的示值对传感器进行标定，传感器所处环境温度可以通过烘箱进行调整，本标定装置体积小、重量轻、成本低，且便于携带。

Description

特种高温测力传感器标定装置

技术领域

本发明涉及一种传感器测量装置，尤其涉及一种特种高温测力传感器标定装置。

背景技术

高温传感器在科研和工业领域应用广泛，如核电、航空航天、汽车、冶金、石油等领域都需要大量的可在高温下进行测试的传感器。高温传感器的研制涉及较多的专业技术领域，实施难度大，国内的技术发展水平整体较低，其中高温环境下的标定装置也是高温传感器研制过程中需要解决的技术难点之一。由于随着温度的升高，材料的弹性模量，热胀系数，热导率等参数都会发生变化，使得高温环境下的准确标定不容易实现；并且高温环境下必须考虑标定装置各个部件耐高温能力，使得设计难度与成本剧增。鉴于高温环境下的标定装置面临的种种技术难题，通常高温测力传感器采用蠕变试验机这种非专业设备标定，或者直接采用常温标定设备进行标定。

蠕变试验机是用于做材料蠕变试验的设备，通常对处于高温下的棒料进行拉升试验，并考核拉升一定时间后试验的伸长线应变，而测力传感器主要是压缩受力。并且蠕变试验机并非专门的标定设备，其的载荷数值范围、载荷分辨率及载荷准确度不能达到传感器标定的标准。同时，蠕变试验机体积庞大笨重，使用十分不方便。

若采用常温下的标定装置进行高温测力传感器的标定，由于并未考虑温升带来的弹性体弹性模量、线膨胀系数、应变片灵敏度变化、应变片粘接胶粘接力变化等的影响，完全不能反映高温测力传感器在高温环境下的受力情况。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种特种高温测力传感器标定装置。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种特种高温测力传感器标定装置，包括力发生段、力测量段和高温加载段，所述力发生段、所述力测量段和所述高温加载段依次串联设置；

所述力发生段包括推力螺栓、碟簧筒、碟簧压块、碟簧和碟簧推杆，所述推力螺栓的前端穿过设置在所述碟簧筒后端的螺纹孔顶压在设置在所述碟簧筒内的所述碟簧压块上，所述碟簧设置在所述碟簧压块与所述碟簧推杆之间；

所述力测量段包括测量段外筒、标定传感器和推力杆，所述标定传感器和所述推力杆的后半段均设置在所述测量段外筒内，所述标定传感器的第一端与所述碟簧推杆的第二端连接，所述标定传感器的第二端与所述推力杆的第一端连接；

所述高温加载段包括高温加载段外筒，所述推力杆的前半段设置在所述高温加载段外筒内，所述推力杆的第二端设置有高温传感器，所述高温传感器设置在位于高温烘箱内部的传感器室内。

具体地，所述传感器室的侧壁上设置有通孔，所述高温加载段的前端设置有外螺纹，所述通孔内设置有与所述外螺纹适配的内螺纹，所述外螺纹的有效深度大于所述内螺纹的有效深度，所述高温加载段穿过所述高温烘箱的侧壁孔与所述通孔连接。

具体地，所述碟簧筒与所述测量段外筒之间通过第一紧固组件连接，所述测量段外筒与所述高温加载段外筒之间通过第二紧固组件连接，所述第一紧固组件和所述第二紧固组件均包括法兰盘和四个紧固螺栓。

具体地，所述碟簧推杆为阶梯轴，其后部设置有凸棱，所述碟簧设置在所述碟簧压块与所述凸棱之间，所述碟簧压块与所述碟簧推杆之间设置有间隙，所述碟簧筒和所述测量段外筒之间设置有限制所述碟簧推杆径向平移自由度的推杆限位环，所述凸棱与所述推拉限位环之间设置有复位弹簧。

优选地，所述复位弹簧为钢丝C级碳素圆柱压缩弹簧，其支撑圈为1，所述碟簧为复合组合碟簧，所述碟簧包括10对对合的叠合碟簧，所述叠合碟簧包括两个叠合的碟簧片。

具体地，所述测量段外筒的顶部设置有长槽，所述高温传感器的引线和所述标定传感器的引线均从所述长槽引出，所述第二紧固组件上设有用于引出所述高温传感器的引线的通孔，所述所述高温传感器的引线和所述标定传感器的引线设置在所述高温加载段外筒和所述测量段外筒与所述推力杆之间的空隙中，且不与其接触。

具体地，所述测量段外筒的底部设置有两道短槽，所述推力杆的前半段内设置有中空腔，所述中空腔上设置有两个位置与所述短槽对应的螺纹孔，两个水管接头穿过所述短槽与所述中空腔上的螺纹孔固定连接，所述水管接头与所述螺纹孔之间设置有橡胶密封圈。

进一步，所述碟簧筒的后端设置有多个沿其直径方向的操作杆，多个所述操作杆沿所述碟簧筒的中轴线均匀分布。

优选地。所述标定传感器与所述碟簧推杆和所述推力杆之间均通过螺纹固定连接。

本发明的有益效果在于：

本发明特种高温测力传感器标定装置将高温传感器伸入高温烘箱内，通过标定装置烘箱外的部分给高温传感器施加比较准确的压力，根据标定传感器对此压力的示值对传感器进行标定，传感器所处环境温度可以通过烘箱进行调整，本标定装置体积小、重量轻、成本低，且便于携带。

附图说明

图1是本发明所述特种高温测力传感器标定装置的外部结构示意图；

图2是本发明所述特种高温测力传感器标定装置的内部结构示意图，图中将碟簧筒、测力段外筒和高温加载段外筒进行半剖处理；

图3是本发明所述特种高温测力传感器标定装置的内部结构示意图，图中对其进行1/4剖切；

图4是本发明所述力发生段的结构示意图；

图5是本发明所述力测量段的结构示意图；

图5是本发明所述高温加载段的结构示意图。

图中，1-传感器室、2-高温传感器、3-推力杆、4-高温加载段外筒、5-高温传感器引线、6-第二紧固组件、7-测量段外筒、8-橡胶密封圈、9-水管接头、10-标定传感器、11-标定传感器引线、12-第一紧固组件、13-推杆限位环、14-复位弹簧、15-碟簧推杆、16-碟簧、17-碟簧压块、18-操作杆、19-碟簧筒、20-推力螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明特种高温测力传感器标定装置，包括力发生段100、力测量段200和高温加载段300，力发生段100、力测量段200和高温加载段300依次串联设置。

根据图2、与图3可知，力的传递链为推力螺栓20→碟簧压块17→碟簧16→碟簧推杆15→标定传感器10→推力杆3→高温传感器2→传感器室1→高温加载段外筒4，由于碟簧筒19、测量段外筒7、高温加载段外筒4、传感器室1固定为一体，为一个构件，而推力螺栓20靠与碟簧筒19之间的螺纹连接作为支撑，因此整个力传递链是内力作用，因此当以最大载荷工作时，碟簧推杆15、标定传感器10、推力杆3以及高温传感器2受最大轴向压缩载荷，而碟簧筒19、测量段外筒7、高温加载段外筒4及传感器室1受最大轴向拉伸载荷。

如图2、图3和图4所示，力发生段100包括推力螺栓20、碟簧筒19、碟簧压块17、碟簧16和碟簧推杆15，推力螺栓20的前端穿过设置在碟簧筒19后端的螺纹孔顶压在设置在碟簧筒19内的碟簧压块17上，碟簧16设置在碟簧压块17与碟簧推杆15之间，碟簧推杆15为阶梯轴，其后部设置有凸棱，碟簧16设置在碟簧压块17与凸棱之间，碟簧压块17与碟簧推杆15之间设置有间隙，碟簧筒19和测量段外筒7之间设置有限制碟簧推杆15径向平移自由度的推杆限位环13，凸棱与推拉限位环之间设置有复位弹簧14。

操作人员一只手用扳手扭转推力螺栓20，另一只手紧握操作杆18，防止标定装置转动，推力螺栓20螺旋传动对碟簧压块17产生较大的推力，碟簧压块17将推力传递给组合碟簧16，组合碟簧16发生弹性变形，并对碟簧推杆15施加推力，该推力大小由组合碟簧16刚度及变形量决定。复位弹簧14用于卸载时使装置复位，推杆限位环13用于限制碟簧推杆15沿标定装置径向的平移自由度，提升整个力传递链的稳定性。

扳手的驱动转矩可以按式(1)计算。

式中：

M_q——扳手驱动转矩，N·mm；

d₂——螺纹中径，mm；

F——螺旋传动的轴向载荷，N；

λ——螺旋线升角，(°)；

ρ’——当量摩擦角，(°)；

f_s——轴向支撑面间摩擦因数；

D₀及d₀——支撑环面的外径及内径。

螺旋线升角λ可按式(2)计算。

式中：

P——螺纹螺距，mm。

当量摩擦角ρ’可按式(3)计算。

式中：

f——螺纹接触面间的动摩擦因数；

α——牙型角，(°)。

将各个量的数值代入(1)～(3)式便可算得扳手驱动转矩M_q，若选择长度L的扳手搬动推力螺栓，则操作人员极限施加力F_m大小可按(4)式计算：

碟形弹簧选择系列A，类别2，有支撑面，碟簧16外径应略小于碟簧筒19内径，碟簧16的组合方式采用复合组合方式，即先由两片碟簧片叠合，然后再将多对叠合的碟簧片对合使用，图中采用10对叠合的碟簧片对合使用，对于由n片碟簧片组成的叠合碟簧，最大载荷P_z，变形量f_z，自由高度H_z分别由(5)～(7)式决定：

P_z＝n×P ⑸

f_z＝f ⑹

H_z＝H₀+(n-1)·t ⑺

对于由i片碟簧片组成的对合碟簧16，最大载荷P’z，变形量f’z，自由高度H’z分别由(8)～(10)式决定。

P'_z＝P ⑻

f'_z＝i×f ⑼

H'_z＝i×H₀ ⑽

由式(5)～(10)式可知n片碟簧片叠合使用，叠合碟簧所能提供的最大载荷变为单片碟簧片的n倍；i片碟簧片对合使用，对合碟簧16提供载荷不变的情况下，变形量是单片碟簧片的i倍，因此单位载荷所需变形量增加，使得施加载荷精密度提高。

复位弹簧14采用圆柱压缩弹簧，弹簧钢丝材料选用碳素弹簧钢丝C级，端部并紧磨平，支撑圈为1圈，弹簧刚度及预压缩量在满足碟簧推杆15复位前提下应尽量小。

复位弹簧14为钢丝C级碳素圆柱压缩弹簧，其支撑圈为1，端部并紧磨平，支撑圈为1圈，弹簧刚度及预压缩量在满足碟簧推杆15复位前提下应尽量小。

如图2、图3和图5所示，力测量段200包括测量段外筒7、标定传感器10和推力杆3，标定传感器10和推力杆3的后半段均设置在测量段外筒7内，标定传感器10的第一端与碟簧推杆15的第二端连接，标定传感器10的第二端要推力杆3的第一端连接，测量段外筒7的顶部设置有长槽，高温传感器2的引线11和标定传感器10的引线5均从长槽引出，第二紧固组件6上设有用于引出高温传感器2的引线5的通孔，高温传感器2的引线和标定传感器10的引线设置在高温加载段外筒4和测量段外筒7与推力杆3之间的空隙中，且不与其接触，测量段外筒7的底部设置有两道短槽，推力杆3的前半段内设置有中空腔，中空腔上设置有两个位置与短槽对应的螺纹孔，两个水管接头9穿过短槽与中空腔上的螺纹孔固定连接，水管接头9与螺纹孔之间设置有橡胶密封圈8。

两个水管接头9通过测量段外筒7底部的短槽与推力杆3上的螺纹孔旋合，水管接头9与推力杆3之间由橡胶密封圈8，防止水泄漏，两个水管接头9另一端接水管，通入循环水对推力杆3进行冷却，防止标定传感器10处温度过高导致轴向力计量值不准确。

为了保证施加在高温传感器2上的轴向载荷真实值与标定传感器10指示值尽可能接近，标定传感器10及其引线，高温传感器2的引线、推力杆3均不能触碰到整个标定装置的外筒壁，并且整个力传递链需保持较好的同轴度。

如图2、图3和图6所示，高温加载段300包括高温加载段外筒4，推力杆3的前半段设置在高温加载段外筒4内，推力杆3的第二端设置有高温传感器2，高温传感器2设置在位于高温烘箱内部的传感器室1内，传感器室1的侧壁上设置有通孔，高温加载段300的前端设置有外螺纹，通孔内设置有与外螺纹适配的内螺纹，外螺纹的有效深度大于内螺纹的有效深度，高温加载段300穿过高温烘箱的侧壁孔与通孔连接。

在高温烘箱内，高温加载段外筒4通过螺纹与传感器室1连接，高温加载段300上螺纹有效深度比较长，可以调整高温加载段外筒4旋入传感器室1的深度，进而调整高温传感器2在传感器室1内的位置，传感器室1体积比较大，能够容纳不同形式的高温传感器2，使得多种尺寸形状的高温传感器2能够利用此装置进行标定。

如图2和图3所示，图中碟簧筒19与测量段外筒7之间通过第一紧固组件12连接，测量段外筒7与高温加载段外筒4之间通过第二紧固组件6连接，第一紧固组件12和第二紧固组件6均包括法兰盘和四个紧固螺栓，碟簧筒19的后端设置有多个沿其直径方向的操作杆18，多个操作杆18沿碟簧筒19的中轴线均匀分布，标定传感器10与碟簧推杆15和推力杆3之间均通过螺纹固定连接。

高温传感器2的引线为特制的高温四芯电缆线，该电缆线为刚性，且弯曲曲率半径不能太小，测量段外筒7的法兰盘处开有一定直径的通孔，专用于引出高温电缆线。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：包括力发生段、力测量段和高温加载段，所述力发生段、所述力测量段和所述高温加载段依次串联设置；

所述力发生段包括推力螺栓、碟簧筒、碟簧压块、碟簧和碟簧推杆，所述推力螺栓的前端穿过设置在所述碟簧筒后端的螺纹孔顶压在设置在所述碟簧筒内的所述碟簧压块上，所述碟簧设置在所述碟簧压块与所述碟簧推杆之间；

所述力测量段包括测量段外筒、标定传感器和推力杆，所述标定传感器和所述推力杆的后半段均设置在所述测量段外筒内，所述标定传感器的第一端与所述碟簧推杆的第二端连接，所述标定传感器的第二端与所述推力杆的第一端连接；

所述高温加载段包括高温加载段外筒，所述推力杆的前半段设置在所述高温加载段外筒内，所述推力杆的第二端设置有高温传感器，所述高温传感器设置在位于高温烘箱内部的传感器室内。

2.根据权利要求1所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述传感器室的侧壁上设置有通孔，所述高温加载段的前端设置有外螺纹，所述通孔内设置有与所述外螺纹适配的内螺纹，所述外螺纹的有效深度大于所述内螺纹的有效深度，所述高温加载段穿过所述高温烘箱的侧壁孔与所述通孔连接。

3.根据权利要求1所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述碟簧筒与所述测量段外筒之间通过第一紧固组件连接，所述测量段外筒与所述高温加载段外筒之间通过第二紧固组件连接，所述第一紧固组件和所述第二紧固组件均包括法兰盘和四个紧固螺栓。

4.根据权利要求3所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述碟簧推杆为阶梯轴，其后部设置有凸棱，所述碟簧设置在所述碟簧压块与所述凸棱之间，所述碟簧压块与所述碟簧推杆之间设置有间隙，所述碟簧筒和所述测量段外筒之间设置有限制所述碟簧推杆径向平移自由度的推杆限位环，所述凸棱与所述推杆限位环之间设置有复位弹簧。

5.根据权利要求4所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述复位弹簧为钢丝C级碳素圆柱压缩弹簧，其支撑圈为1圈，所述碟簧为复合组合碟簧，所述碟簧包括10对对合的叠合碟簧，所述叠合碟簧包括两个叠合的碟簧片。

6.根据权利要求3所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述测量段外筒的顶部设置有长槽，所述高温传感器的引线和所述标定传感器的引线均从所述长槽引出，所述第二紧固组件上设有用于引出所述高温传感器的引线的通孔，所述高温传感器的引线和所述标定传感器的引线设置在所述高温加载段外筒和所述测量段外筒与所述推力杆之间的空隙中，且不与其接触。

7.根据权利要求6所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述测量段外筒的底部设置有两道短槽，所述推力杆的前半段内设置有中空腔，所述中空腔上设置有两个位置与所述短槽对应的螺纹孔，两个水管接头穿过所述短槽与所述中空腔上的螺纹孔固定连接，所述水管接头与所述螺纹孔之间设置有橡胶密封圈。

8.根据权利要求1所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述碟簧筒的后端设置有多个沿其直径方向的操作杆，多个所述操作杆沿所述碟簧筒的中轴线均匀分布。

9.根据权利要求1所述特种高温测力传感器标定装置，其特征在于：所述标定传感器与所述碟簧推杆和所述推力杆之间均通过螺纹固定连接。