CN105203239A - 一种悬挂式非平衡动态张力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬挂式非平衡动态张力传感器，通过双悬臂梁结构，采用应变片间接测量，同时采用滚筒的设计，使得在瞬间大张力测量时，可以减小摩擦，有效防止被测绳带的受热烧蚀现象；另外采用非平衡悬挂式的结构设计，测量时无需固定在基座上，一方面保证绳带不会在测量过程中脱落使得测量失效，另一方面有效消除动态测量时非均匀力的不良影响，保证动态测量时的准确性。

Description

一种悬挂式非平衡动态张力传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种悬挂式非平衡动态张力传感器。

背景技术

张力传感器也叫张力检测器，是张力控制过程中用于测量卷材张力值大小的仪器。应变片是一种重要的传感元件，在动态力学测量中具有十分重要的地位，其中应变片技术是迄今为止应用最广泛，技术最成熟的测量技术。应变片传感技术利用金属的电阻应变效应，将应变片粘贴在被测试件上，金属的阻值会随其所受机械变形而改变，电阻的变化就反映了应变片所粘贴部位的应变值。这种测试方法有其独特的优点：

1.结构简单，尺寸小；

2.变换电路简单；

3.性能稳定可靠，精度高，可以在各种复杂的环境下测定结构的应变；

4.易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。

现阶段张力传感器的种类繁多。按测量对象来分，主要有纱线张力测量传感器、膜张力测量传感器、钢索类张力测量传感器这三类张力传感器。按结构形状来分，有圆筒式、轴台式、圆饼式、梁式以及各种复杂结构。绳带张力与钢索类的张力有很多相似之处，比如受力情况、形变的状态等。针对这类张力的测量，主要可分为接触式和非接触式。

接触式测量包括：串接式、滚轮式、旁压式和类滚轮式；非接触式包括：利用绳索的固有频率f与绳索张力的关系来测量、利用磁电效应（ME）或者电磁场中的其他效应来测量。目前的主流还是采用接触式的方法，其中串接式的测量方法是最多的。具体方法是将被测对象（绳带）截断将传感器串入到其中，绳带受力后对传感器的两端产生拉力从而传感器产生了形变。此类传感器原理简单、测量直接、精度和线性度都非常好，但是它的主要缺陷是会破坏绳带。接触式中的旁压式、滚轮式以及类滚轮式，其原理是将绳带的张力通过应变片、压电材料或者差动电容来间接测量。这几类测量方法都是无损式的，对被测绳带本身的结构没有任何影响，而且安装简单，便于更换。

现在市面上可见的张力传感器有美国MEAS的EL20-S458、法国kortis的FMI、德国施密特张力仪。虽然针对不同的对象，它们有系列产品可选择，有精度高、温漂小，响应快等优点，不过它们仍存在以下缺点：首先，这类产品都主要适用于静态测量，没有考虑到绳带在瞬间大张力作用下受摩擦力的影响；其次，对于测量对象是安全带这类较宽的扁平带状结构，为了防止绳带的脱落使测量失效，上述产品的安装和拆卸不仅复杂，而且每拆装一次都需要由专业人员进行繁琐的标定之后才能投入使用，这类传感器在实际实验过程中基本很少能够重复利用，大大增加了成本；另外，以美国MEAS的EL20-S458为例，对于较宽的扁平带状结构，为固定绳带多采用两侧平衡式的结构，默认绳带上所受的是均匀的力，然而在实际测量过程中，绳带的扭绞等都可能使得其所受张力的不均匀，尤其在动态测量过程中情况更为复杂，这就导致绳带作用在试件上的力传递不均，从而使得这类结构无法实现动态测量。

本发明针对目前市场上的一些张力传感器在测量时的缺陷，提出一种悬挂式动态张力传感器，其基本原理是通过双悬臂梁结构，采用应变片间接测量，主要用于具有一定宽度的扁平绳带上动态张力的测量。其特殊的滚筒式结构可有效防止绳带被烧蚀，非平衡式结构能避免动态测量中绳带张力不平衡时对测量精度的影响，并且整体结构可针对不同宽度的绳带灵活使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种悬挂式非平衡动态张力传感器，通过双悬臂梁结构，采用应变片间接测量，同时采用滚筒的设计，使得在瞬间大张力测量时，可以减小摩擦，有效防止被测绳带的受热烧蚀现象；另外采用非平衡悬挂式的结构设计，测量时无需固定在基座上，一方面保证绳带不会在测量过程中脱落使得测量失效，另一方面有效消除动态测量时非均匀力的不良影响，保证动态测量时的准确性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种悬挂式非平衡动态张力传感器，包含三轴型受力主体、档板、第一至第三螺帽、第一至第三滚筒、第一至第四应变片、绳带和电气盒子；

所述三轴型受力主体包含受力底板和第一至第三导力圆柱；

所述第一至第三滚筒均为倒角滚筒；

所述第一导力圆柱、第三导力圆柱垂直设置在受力底板的两端，所述第二导力圆柱垂直设置在受力底板的中间，且所述第一至第三导力圆柱与受力底板之间分别设有与所述第一至第三滚筒对应的倒角；

所述第一至第三滚筒对应嵌套在所述第一至第三导力圆柱上；

所述第二导力圆柱和第一导力圆柱、第三导力圆柱之间的受力底板均采用悬臂梁结构；

所述第一至第四应变片分别对应设置在所述两个悬臂梁结构的上下受力表面；

所述第一至第三导力圆柱的顶端分别设有对应于所述第一至第三螺帽的螺柱，且所述第二导力圆柱与其顶端的螺柱之间设有锥度结构；

所述挡板上设有供所述第一至第三导力圆柱顶端螺柱通过的通孔，供所述第一导力圆柱和第三导力圆柱顶端通过的通孔尺寸大于螺柱、留有活动间隙确保挡板在张力传感器量程内不受力，且供所述第二导力圆柱顶端螺柱通过的通孔为与所述锥度结构相匹配的锥度孔，用于锁紧挡板；

所述第一至第三导力圆柱顶端螺柱穿过挡板后分别通过所述第一至第三螺帽锁死，且所述锥度结构与锥度孔相配合；

所述绳带从所述第一导力圆柱的侧面穿入，依次穿过第一导力圆柱和第二导力圆柱之间的空隙、第二导力圆柱和第三导力圆柱之间的空隙，然后从第三导力圆柱的侧面穿出；

所述电气盒子与所述第一至第四应变片相连，用于采集所述第一至第四应变片的受力大小。

作为本发明一种悬挂式非平衡动态张力传感器进一步的优化方案，所述受力底板上还设有若干用于防止所述绳带在瞬间受力时作用力偏离导力圆柱的小挡板。

作为本发明一种悬挂式非平衡动态张力传感器进一步的优化方案，所述小挡板为两个，分别设置在所述受力底板的两端。

作为本发明一种悬挂式非平衡动态张力传感器进一步的优化方案，所述电气盒子包含无线发送模块，用于将采集到的受力数据发送至外部。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.无需固定安装，可悬挂在绳带任意处进行测量；

2.采用滚筒设计，有效避免瞬态大张力下，绳带受大摩擦力而引起的烧蚀现象；

3.采用非平衡的结构，应变片能够仅贴在传感器的一侧底板上，引线易受保护，不易在测量过程中被拉扯断，并且可将引线与相关器件集中至盒子中保护，使得安装方便；

4.采用特殊设计的挡板，与三轴式受力主体的配合使用，一方面来固定绳带，保证测量稳定性；另一方面有效消除动态测量时非均匀力的不良影响，保证动态测量时的准确性；

5.整体结构简单，方便拆卸及安装，非平衡式的结构保证了在每次安装绳带后并不需要另外进行相关标定，即可投入使用，可做到重复利用，大大减少了实验的人力财力。

附图说明

图1是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器的结构示意图；

图2是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器的拆卸安装示意图；

图3是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器中绳带穿行方式的示意图；

图4是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器三轴型受力主体结构的示意图；

图5是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器的应力云图；

图6是是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器中应变片贴片位置的示意图；

图7是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器中电气盒子的示意图；

图8-a、图8-b分别是本发明悬挂式非平衡动态张力传感器中挡板结构的设计图和应力云图。

图中，1-电气盒子，2-三轴型受力主体，3-滚筒，4-挡板，5-导力圆柱，6-绳带，7-小挡板，8-锥度结构，9-悬臂梁，10-应变片,11-锥度孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明公开了一种悬挂式非平衡动态张力传感器，包含三轴型受力主体、档板、第一至第三螺帽、第一至第三滚筒、第一至第四应变片、绳带和电气盒子；

所述三轴型受力主体包含受力底板和第一至第三导力圆柱；

所述第一至第三滚筒均为倒角滚筒；

所述第一导力圆柱、第三导力圆柱垂直设置在受力底板的两端，所述第二导力圆柱垂直设置在受力底板的中间，且所述第一至第三导力圆柱与受力底板之间分别设有与所述第一至第三滚筒对应的倒角；

所述第一至第三滚筒对应嵌套在所述第一至第三导力圆柱上；

所述第二导力圆柱和第一导力圆柱、第三导力圆柱之间的受力底板均采用悬臂梁结构；

所述第一至第四应变片分别对应设置在所述两个悬臂梁结构的上下受力表面；

所述第一至第三导力圆柱的顶端分别设有对应于所述第一至第三螺帽的螺柱，且所述第二导力圆柱与其顶端的螺柱之间设有锥度结构；

所述挡板上设有供所述第一至第三导力圆柱顶端螺柱通过的通孔，供所述第一导力圆柱和第三导力圆柱顶端通过的通孔尺寸大于螺柱、留有活动间隙确保挡板在张力传感器量程内不受力，且供所述第二导力圆柱顶端螺柱通过的通孔为与所述锥度结构相匹配的锥度孔，用于锁紧挡板；

所述第一至第三导力圆柱顶端螺柱穿过挡板后分别通过所述第一至第三螺帽锁死，且所述锥度结构与锥度孔相配合；

所述绳带从所述第一导力圆柱的侧面穿入，依次穿过第一导力圆柱和第二导力圆柱之间的空隙、第二导力圆柱和第三导力圆柱之间的空隙，然后从第三导力圆柱的侧面穿出；

所述电气盒子与所述第一至第四应变片相连，用于采集所述第一至第四应变片的受力大小。

所述受力底板上还设有若干用于防止所述绳带在瞬间受力时作用力偏离导力圆柱的小挡板，优先为两个，分别设置在所述受力底板的两端。

在传感器的三轴型受力主体结构设计上，主要采取双悬臂梁结构。三个导力圆柱与受力底板之间采用刚性连接，绳带的张力通过三个导力圆柱传递至双悬臂梁上。在整体体积的设计上，首先导力圆柱的轴向要有一定长度，使得绳带能够穿行于其中，整体沿导力圆柱径向上的尺寸要小，使得传感器小巧轻便；其次对于受力底板的设计，悬臂梁的设计要求敏感张力的变化，并易于粘贴应变片。

绳带的穿行方式如图3所示，绳带从左向右或者从右向左绕行于三个滚筒之间，受张力绷直时，张力信号转化为压力信号分别向下作用于中间的滚筒，以及向上作用于两侧滚筒。对于设计的结构采用有限元软件ANSYSworkbench分析受力情况。通过仿真分析，可优化得到本发明中的三轴型受力主体，如附图4所示。图4中6所示的小挡板设计是在瞬间张力的场合中，保证绳带在瞬间绷直时，能够准确地作用在导力圆柱而不会产生偏移；7处的锥度设计是与挡板配合作用，用来固定挡板。

图5表明该受力主体的结构具有良好的力学特性，两悬臂梁对张力敏感。应变片的贴片位置可采用如附图6所示的方案。将应变片贴在悬臂梁上下两个表面，分别感受拉力与张力，采用惠斯通全桥测量，提高灵敏度。引线都能集中至受力主体后背部的电气盒中，在测试过程中不易被拉扯，保证测量的稳定性。电气盒如图7所示，安装保证不会限制两侧悬臂梁的活动，引线与信号调理电路等相关器件均可集中至盒子中保护。

在动态测试中，实际上当绳带瞬间绷直时，绳带与传感器之间会产生一个较大的冲击力作用，两者之间也会产生摩擦力会导致绳带的烧蚀，本发明采用一种滚筒设计来降低这种破坏性，保证工作稳定性。滚筒设计可见附图2所示，两者相对滑动，大大减小了瞬间冲击时的摩擦力。在滚筒的结构设计上，为了防止应力集中，导力圆柱和底板之间设计了倒角，可将受力分散到底板的受力梁上。该倒角的大小与传感器量程相关，可通过ANSYSworkbench进行力学仿真确定。这种嵌套设计在保证强度需求的同时，可直接定位并稳固滚筒，避免滚筒在圆柱上的左右滑动漂移，降低测量精度。

对于测量对象是较宽的扁平带状结构时，为了固定绳带多采用两侧平衡式的结构，两侧的挡板都参与受力，这种结构只有将两侧底板的受力点都装上传感器，才能得到总的受力大小，如果只安装在一侧底板上，则只有在传感器受力均匀的情况下才能测到总的受力大小，这在静态或者变化缓慢的张力测量时比较容易实现。然而在实际测量过程中，绳带的扭绞等都可能使得其所受张力的不均匀，尤其在动态测量过程中情况更为复杂。在动态测量过程中，如何保证动态测量的准确性，成为了结构设计中的首要问题。本发明整体结构采用的是非平衡式结构，保证了绳带上的张力全部传递至三轴型受力主体，悬臂梁上的应变可与总张力相对应，因此保证该结构应变片仅需贴在一侧底板就可达到测量目的。

在挡板的结构设计上，需考虑挡板的固定以及保证其不受张力作用。挡板的结构设计如附图8-a所示，中间的孔洞采用锥度设计，其工作原理类似于定位销，该特殊的锥度配合限制了挡板自由运动度，防止挡板绕轴的旋转运动，避免安装位置、方向等错误。由图1，图2可见，挡板靠螺栓与导力圆柱上的螺纹来固定，并且通过特殊的锥度配合，限制了挡板自由运动度，防止挡板绕轴的旋转运动以达到定位作用。挡板两侧的孔洞在设计时，通过仿真分析的结果，为导力圆柱提供一定的活动范围，保证挡板并不会受到张力作用，并且可防止传感器过载而起到限位作用。仿真分析可给出挡板的受力云图如附图8-b所示，两端的孔洞并不受力，只有在中间有导力圆柱对挡板的支撑作用。可见挡板实际上是与三轴受力主体形成一个整体，从而可保证动态测量时的准确性。

电气盒中集成有信号调理电路等相关器件，也可放置电池及无线发送模块，实现无线通讯。

传感器的整体是一种悬挂式结构，适用于动静态测量。该传感器通过挡板配合三轴受力主体上两侧下方的小挡板，可保证绳带的固定，尤其是瞬间冲击时不脱落。该传感器可悬挂在被测绳带任意处，无需特殊安装固定，使用方便简单。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种悬挂式非平衡动态张力传感器，其特征在于，包含三轴型受力主体、档板、第一至第三螺帽、第一至第三滚筒、第一至第四应变片、绳带和电气盒子；

所述三轴型受力主体包含受力底板和第一至第三导力圆柱；

所述第一至第三滚筒均为倒角滚筒；

所述第一导力圆柱、第三导力圆柱垂直设置在受力底板的两端，所述第二导力圆柱垂直设置在受力底板的中间，且所述第一至第三导力圆柱与受力底板之间分别设有与所述第一至第三滚筒对应的倒角；

所述第一至第三滚筒对应嵌套在所述第一至第三导力圆柱上；

所述第二导力圆柱和第一导力圆柱、第三导力圆柱之间的受力底板均采用悬臂梁结构；

所述第一至第四应变片分别对应设置在所述两个悬臂梁结构的上下受力表面；

所述第一至第三导力圆柱的顶端分别设有对应于所述第一至第三螺帽的螺柱，且所述第二导力圆柱与其顶端的螺柱之间设有锥度结构；

所述挡板上设有供所述第一至第三导力圆柱顶端螺柱通过的通孔，供所述第一导力圆柱和第三导力圆柱顶端通过的通孔尺寸大于螺柱、留有活动间隙确保挡板在张力传感器量程内不受力，且供所述第二导力圆柱顶端螺柱通过的通孔为与所述锥度结构相匹配的锥度孔，用于锁紧挡板；

所述第一至第三导力圆柱顶端螺柱穿过挡板后分别通过所述第一至第三螺帽锁死，且所述锥度结构与锥度孔相配合；

所述绳带从所述第一导力圆柱的侧面穿入，依次穿过第一导力圆柱和第二导力圆柱之间的空隙、第二导力圆柱和第三导力圆柱之间的空隙，然后从第三导力圆柱的侧面穿出；

所述电气盒子与所述第一至第四应变片相连，用于采集所述第一至第四应变片的受力大小。

2.根据权利要求1所述的悬挂式非平衡动态张力传感器，其特征在于，所述受力底板上还设有若干用于防止所述绳带在瞬间受力时作用力偏离导力圆柱的小挡板。

3.根据权利要求2所述的悬挂式非平衡动态张力传感器，其特征在于，所述小挡板为两个，分别设置在所述受力底板的两端。

4.根据权利要求1所述的悬挂式非平衡动态张力传感器，其特征在于，所述电气盒子包含无线发送模块，用于将采集到的受力数据发送至外部。