CN105698745B - 单分量应变放大结构 - Google Patents

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    • G01L1/04—Measuring force or stress, in general by measuring elastic deformation of gauges, e.g. of springs

Abstract

本发明涉及一种单分量应变放大结构。它是一种新型的单分量应变放大结构。包括刚性框架，刚性梁及弹性梁构成。在弹性梁上粘贴应变片，通过弹性梁的形变放大反映框架立柱的形变，弹性梁比刚性梁的截面积小很多，近似认为刚性梁不发生形变，主要在弹性梁处发生形变。将框架单分量的应变通过应变梁的应变来放大反映，提高了传感器的灵敏度和精度。这种单分量应变放大结构具有结构简单、灵敏度高、精确度高、应用面广等优点，可以广泛运用于各种微小应变测量的工作中，可有效地解决传统单分量和多分量应变测量方式对于微小应变灵敏度低的问题，且应用面更加广泛。

Description

单分量应变放大结构
技术领域
本发明属于传感器领域，特别涉及一种单分量应变放大结构。
背景技术
单分量应变式应变放大结构广泛运用于传感器领域中，常见于六分量杆式天平与盒式天平结构中。在传感器领域，常常面对测量各个方向的力与力矩，而一般的力与力矩的得出都有应变片测得的应变数据来反映，主要一般通过弹性梁的拉压，弯曲，扭转三种方式获得所需的应力数据。[贺德馨.风洞天平,北京,国防工业出版社,2001:84-90.]。而面对复杂的受力情况，需要对各个方向所受力与力矩进行分解分别测量。以盒式天平为例，三个方向应力与三个方向的力矩通过结构的机械分解以后，分别通过不同部分的弹性梁的弯曲变形来反映力与力矩的大小。而此时的每个弹性梁都相当于是一个应变放大结构，盒式天平的整体结构需要满足强度要求，满足强度要求的同时又要必须满足灵敏度的要求，此时就显示了应变放大结构的重要性。专利CN105004454A中介绍到的重载单分量传感器，其中的结构也是利用的应变放大的原理，支柱承受主要载荷，要求刚度大，形变不明显，当受载荷作用时，刚性框架承受大部分载荷，而两刚性梁承受小部分载荷，这小部分载荷使得弹性梁产生相对较大的形变，相当于弹性梁的变形对支撑柱的形变进行放大，形成一个应变放大结构。但是这样的整体结构就限制了其使用范围单一，不可以灵活应用。该专利针对这个问题设计了这样一种单分量应变放大结构，结构简单易用，加贴应变片后，可以沿所需测量的应变方向将该结构固定在各种需要测量微小应变的物体表面，使用更加灵活方便。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种和高灵敏度和高精度的单分量应变放大结构。这种结构不但继承了运用在六分量天平中的单分量应变放大结构的固有优点，而且结构简单，灵活易用，使用形式更加多样化，可以应用在各种需要测量较小应变的物体表面。
为实现上述目的，本发明可采用如下技术方案：
一种单分量应变放大结构，包括刚性框架、刚性梁、弹性梁；所述刚性框架包括第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架；该第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架围成框型结构；所述刚性梁自第一端框架向第二端框架方向延伸，且刚性梁的两侧与第一侧框架、第二侧框架之间均留有间隙，所述弹性梁固定在刚性梁顶端及第二端框架之间；所述刚性梁厚度与刚性框架厚度相同，所述弹性梁的宽度小于刚性梁的宽度，弹性梁的厚度小于刚性梁的厚度。
为实现上述目的，本发明还可采用如下技术方案：
一种单分量应变放大结构，包括刚性框架、刚性梁、弹性梁；所述刚性框架包括第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架；所述刚性梁自第一端框架向第二端框架方向延伸；该第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架、刚性梁围成中空空间，且该中空空间为“门”字形；所述弹性梁固定在刚性梁顶端及第二端框架之间；所述弹性梁的宽度小于刚性梁的宽度，弹性梁的厚度小于刚性梁的厚度。
本发明具有如下优点：
1、结构简单
传感器刚性框架，刚性杆，和弹性梁刚接成整体，结构简单、紧凑，易于贴片，且对称性较好，方便加工，降低了成本。无需复杂电路，易于使用。
2、灵敏度高
所测量物体形变不明显，当受载荷作用时，通过使用载荷放大结构，使得弹性梁产生相对较大的形变，相当于弹性梁的变形对物体形变进行放大，在弹性梁上贴装应变片，通过弹性梁的应变反映物体的变形，提高了灵敏度。
3、精度高
当所测物体的应变很小时，应变无法达到应变片测量量程的最优区间，精度相对就会比较差，而该结构可以对物体表面应变进行放大反映，使弹性梁上的应变达到最优的测量量程，提高精度。
4、应用面广
该应变放大结构结构小巧，可以应用于各种不同的物体表面，不拘泥于物体的形状，可以有效对微小应变进行应变放大。
附图说明
图1为本发明单分量应变放大结构的立体图；
图2为本发明单分量应变放大结构的主视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明：
请参阅图1至图4所示，本发明公开了一种单分量应变放大结构，该结构包括刚性框架1、刚性梁2、弹性梁3；所述刚性框架包括第一端框架11、第二端框架12、第一侧框架13、第二侧框架14；该第一端框架11、第二端框架12、第一侧框架13、第二侧框架14围成框型结构。而所述刚性梁2自第一端框架11向第二端框架12方向延伸，该第一端框架11、第二端框架12、第一侧框架13、第二侧框架14、刚性梁2围成中空空间4，且该中空空间4为“门”字形；即刚性梁2的两侧与第一侧框架13、第二侧框架14之间均留有间隙5。所述弹性梁3固定在刚性梁2顶端及第二端框架12之间。
在本实施方式中，为了使刚性梁具有良好的稳定性而使刚性梁尽量不发生形变，使所述刚性梁厚度与刚性框架厚度相同。而弹性梁3则需要产生形变以反映被测物体的形变，故需要使弹性梁3的宽度小于刚性梁2的宽度，弹性梁3的厚度小于刚性梁2的厚度。故具体使用时，刚性框架1沿应变方向的形变通过弹性梁3的形变来反映；弹性梁3发生的应变放大反映所测物体的应变。
测量应变时，将应变片(未图示)粘贴于弹性梁3的一侧，沿所测应变方向贴片；将此应变放大结构沿应变方向贴在所测物体(未图示)表面，通过应变片测得的数据反映物体单方向的放大应变。
进一步的，优选的的一项数值是，弹性梁3的宽度为刚性梁2的十分之一。
在本实施方式中，所述刚性框架、弹性梁及刚性梁采用同种材料，如该单分量应变放大结构采用钢材料。刚材料不仅能够使刚性梁2尽量减少形变，也能够使弹性梁3得到实验想得到的形变效果。
在本实施方式中，其中刚性框架、刚性梁与弹性梁为固接在一起的整体结构，刚性梁尽量不发生形变，外部刚性框架沿应变方向的形变通过弹性梁的形变来反映，弹性梁发生的应变放大反映所测物体的应变，实际应用中，此结构采用钢材料，长约15mm，宽约10mm，在需要测量微小应变的物体表面粘贴此结构，并在同一位置旁边直接粘贴应变片，进行对比试验，实验结果表明，直接粘贴应变计处所采集的数据精度明显低于使用应变放大机构处所采集数据，并且灵敏度也不及该结构。
综上所述，该单分量应变放大结构具有结构简单、灵敏度高、精度高等优点，可广泛用于单分量微小应变测量等领域。

Claims (8)

1.一种单分量应变放大结构，其特征在于：
包括刚性框架、刚性梁、弹性梁；所述刚性框架包括第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架；该第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架围成框型结构；所述刚性梁自第一端框架向第二端框架方向延伸，且刚性梁的两侧与第一侧框架、第二侧框架之间均留有间隙，所述弹性梁固定在刚性梁顶端及第二端框架之间；所述刚性梁厚度与刚性框架厚度相同，所述弹性梁的宽度小于刚性梁的宽度，弹性梁的厚度小于刚性梁的厚度。
2.根据权利要求1所述的单分量应变放大结构，其特征在于：刚性框架沿应变方向的形变通过弹性梁的形变来反映；弹性梁发生的应变放大反映所测物体的应变。
3.根据权利要求1所述的单分量应变放大结构，其特征在于：
测量应变时，将应变片粘贴于弹性梁的一侧，沿所测应变方向贴片；将此应变放大结构沿应变方向贴在所测物体表面，通过应变片测得的数据反映物体单方向的放大应变。
4.根据权利要求1所述的单分量应变放大结构，其特征在于：所述弹性梁的宽度为刚性梁的十分之一。
5.根据权利要求1所述的单分量应变放大结构，其特征在于：所述刚性框架、弹性梁及刚性梁采用同种材料。
6.根据权利要求5所述的单分量应变放大结构，其特征在于：该单分量应变放大结构采用钢材料。
7.一种单分量应变放大结构，其特征在于：包括刚性框架、刚性梁、弹性梁；所述刚性框架包括第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架；所述刚性梁自第一端框架向第二端框架方向延伸；该第一端框架、第二端框架、第一侧框架、第二侧框架、刚性梁围成中空空间，且该中空空间为“门”字形；所述弹性梁固定在刚性梁顶端及第二端框架之间；所述弹性梁的宽度小于刚性梁的宽度，弹性梁的厚度小于刚性梁的厚度。
8.根据权利要求1所述的单分量应变放大结构，其特征在于：刚性框架沿应变方向的形变通过弹性梁的形变来反映；弹性梁发生的应变放大反映所测物体的应变。
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