CN106092391A - 一种分体式二维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分体式二维力传感器，属于传感器技术领域。包括连接头，矩形截面梁，中空筒形构件。所述矩形截面梁的顶部具有第一螺孔，底部具有第二螺孔，相对的第一侧面和第二侧面上黏贴至少一对第一应变片；所述连接头底部设置有与矩形截面梁的第一螺孔相配合的连接螺杆；所述中空筒形构件的顶部具有向外伸出的上螺杆，底部具有向外伸出的下螺杆，侧面开有导线孔，底部内表面黏贴至少一对第二应变片，第二应变片的导线从导线孔中引出；所述上螺杆与矩形截面梁的第二螺孔相配合，从而固定中空筒形构件和矩形截面梁；下螺杆固定被测结构物。该分体式二维力传感器结构简单、体积轻巧，可用于离心模型试验条件下结构物的多维受力测试。

Description

一种分体式二维力传感器
技术领域
本发明涉及一种测力传感器，具体涉及一种分体式二维力传感器，可用于离心模型试验条件下结构物的多维受力测试。
背景技术
多维力传感器是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，广泛应用于机器人、自动控制、工业制造、土木工程等等领域。在土工离心模型试验中，通常需要对土体中结构物的受力进行测量，从而直接获得结构物在各种工况下的响应。由于土体条件复杂且变形模式多种多样，结构物往往会受到多个方向的荷载作用，有必要采用多维度力传感器进行测试。用于离心机模型试验上的传感器与一般的传感器不同，所受离心加速度很高，测量传感器必须在满足基本测试精度指标的前提下，对其本身的使用环境、结构、体积、测试精度等提出更高要求。有关多维力传感器的研究，已经形成多种专利技术，如CN2066134U公开了一中圆筒形上下结构六维力/力矩传感器，具有精度高、易加工等优点，但该结构径向轴向尺寸较大。CN 101329207A专利公开了一种双层上下结构的多位力传感器，该传感器采用Stewart式并联结构，提高了精度，但结构不紧凑，体积较大，难以安装。CN202281665U专利公开了一种悬臂梁式二维力传感器，能够测量二维平面内力的大小和方向，但结构复杂，量程不够大，不能承受较大扭矩。这类传感器普遍结构复杂、不易安装；体积和质量较大，会直接影响离心模型试验结果；且不能承受较大的扭矩。就连技术较为成熟的德国ME多维力传感器，也存在同样的缺点，当其量程为500N～5kN，体积可达120mm×120mm×30mmm或更大，重量均在2kg及以上，难以满足离心模型试验要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种分体式二维力传感器，结构简单，能抵抗较大扭矩，且可根据需求改变量程，保证测量精度。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种分体式二维力传感器，包括连接头、矩形截面梁和中空筒形构件；所述矩形截面梁的顶部具有第一螺孔，底部具有第二螺孔，相对的第一侧面和第二侧面上黏贴至少一对第一应变片；所述连接头底部设置有与矩形截面梁的第一螺孔相配合的连接螺杆；所述中空筒形构件的顶部具有向外伸出的上螺杆，底部具有向外伸出的下螺杆，侧面开有导线孔，底部内表面黏贴至少一对第二应变片，第二应变片的导线从导线孔中引出；所述上螺杆与矩形截面梁的第二螺孔相配合，从而固定中空筒形构件和矩形截面梁；下螺杆固定被测结构物。
进一步地，所述连接头、矩形截面梁以及中空筒形构件采用铝合金材料制成。
进一步地，所述矩形截面梁以及中空筒形构件在试验过程中不允许发生塑性变形。
进一步地，所述第一螺孔和第二螺孔在同一中轴线上。
进一步地，每对第一应变片对称置于第一侧面和第二侧面，其数量可根据矩形截面梁的长度进行调整，布置位置需满足圣维南原理。
进一步地，所述连接头可根据试验需求用螺杆替换。
进一步地，所述第一应变片和第二应变片的每对应变片之间采用惠斯通全桥电路连接。
进一步地，所述矩形截面梁上部可设置标尺，方便确认被测结构物与第一应变片间距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的结构简单，能抵抗较大扭矩，且可根据需求改变量程。
(2)该传感器数据采集和信号处理过程简单，且测量精度较高。
(3)该传感器质量较轻、体积较小、容易安装，可满足离心机模型试验对传感器的要求。
(4)本设备原理简单，实现成本低，使用效果好，便于推广使用。
附图说明
图1是本发明的二维力传感器的结构示意图，(a)为立体图，(b)为侧视图；
图中：连接头1；矩形截面梁2；第一螺孔2-1；第二螺孔2-2；中空筒形构件3；上螺杆3-1；下螺杆3-2；导线孔3-3；第一应变片4-1；第二应变片4-2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种分体式二维力传感器，包括连接头1、矩形截面梁2和中空筒形构件3。该连接头1、矩形截面梁2以及中空筒形构件3可采用铝合金材料制成。
所述矩形截面梁2的顶部具有第一螺孔2-1，底部具有第二螺孔2-2，所述第一螺孔2-1和第二螺孔2-2在同一中轴线上；相对的第一侧面2-3和第二侧面2-4上黏贴至少一对第一应变片4-1，每对第一应变片4-1对称置于第一侧面2-3和第二侧面2-4，其数量可根据矩形截面梁2的长度进行调整，应变片4-1布置需满足圣维南原理。所述矩形截面梁2上可以设置标尺，方便确认被测结构物与第一应变片4-1间距离。
所述连接头1为一中空圆筒，用来连接反力梁，该结构可根据试验需求用螺杆替换；所述连接头1底部设置有与矩形截面梁2的第一螺孔2-1相配合的连接螺杆。
所述中空筒形构件3的顶部具有向外伸出的上螺杆3-1，底部具有向外伸出的下螺杆3-2，侧面开有导线孔3-3，底部内表面黏贴至少一对第二应变片4-2，第二应变片4-2的导线从导线孔3-3中引出；所述上螺杆3-1与矩形截面梁2的第二螺孔2-2相配合，从而固定中空筒形构件3和矩形截面梁2；下螺杆固定3-2被测结构物。
所述第一应变片4-1和第二应变片4-2的每对应变片之间采用惠斯通全桥电路连接。
所述矩形截面梁2以及中空筒形构件3在试验过程中不允许发生塑性变形。
该分体式二维力传感器作用原理如下：
根据试验要求选择适宜量程和尺寸的矩形截面梁2以及中空筒形构件3。将贴有应变片的矩形截面梁2、中空筒形构件3与连接头1这三部分组装起来，并与外部构件连接；其中连接头1与反力架固定，中空筒形构件3与被测结构物连接。
试验过程中该分体式二维力传感器可用于测量被测结构物的Z方向和Y方向的受力。当矩形截面梁2和中空筒形构件3变形时，上部应变片电阻也会发生相应的变化，该电阻变化值可表征被测结构物的受力大小。
由于矩形截面梁2在Z方向的厚度远大于Y方向的厚度，因此该构件对Y方向的作用力敏感，对Z方向的作用力不敏感，可以测量Y方向的受力。而中空筒形构件3在Z方向的变形远大于Y方向的变形，因此其Z方向的作用力敏感，对Y方向的作用力不敏感，可以测量Y方向的受力。
该分体式二维力传感器使用前需进行标定，得出标定矩阵，通过该矩阵可反推被测结构物的受力状态。
标定矩阵如式(1)所示：
U N U M = K N N K N M K M N K M M N M - - - ( 1 )
式中：N、M分别代表竖向力、弯矩,相应的UN和UM分别为轴力计、弯矩应变片对应的电压值变化量。
KNN——当弯矩为定值时，改变N时，轴力计的电压值变化量；
KNM——当竖向力为定值时，改变M时，轴力计的电压值变化量；
KMN——当弯矩为定值时，改变N时，弯矩应变片的电压值变化量；
KMM——当竖向力为定值时，改变弯矩时，弯矩应变片的电压值变化量。

Claims (8)

1.一种分体式二维力传感器，其特征在于，包括连接头(1)、矩形截面梁(2)和中空筒形构件(3)；所述矩形截面梁(2)的顶部具有第一螺孔(2-1)，底部具有第二螺孔(2-2)，相对的第一侧面(2-3)和第二侧面(2-4)上黏贴至少一对第一应变片(4-1)；所述连接头(1)底部设置有与矩形截面梁(2)的第一螺孔(2-1)相配合的连接螺杆；所述中空筒形构件(3)的顶部具有向外伸出的上螺杆(3-1)，底部具有向外伸出的下螺杆(3-2)，侧面开有导线孔(3-3)，底部内表面黏贴至少一对第二应变片(4-2)，第二应变片(4-2)的导线从导线孔(3-3)中引出；所述上螺杆(3-1)与矩形截面梁(2)的第二螺孔(2-2)相配合，从而固定中空筒形构件(3)和矩形截面梁(2)；下螺杆(3-2)固定被测结构物。
2.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，所述连接头(1)、矩形截面梁(2)以及中空筒形构件(3)采用铝合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，所述矩形截面梁(2)以及中空筒形构件(3)在试验过程中不允许发生塑性变形。
4.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，所述第一螺孔(2-1)和第二螺孔(2-2)在同一中轴线上。
5.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，每对第一应变片(4-1)对称置于第一侧面(2-3)和第二侧面(2-4)，其数量可根据矩形截面梁(2)的长度进行调整，布置位置需满足圣维南原理。
6.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，所述连接头(1)可根据试验需求用螺杆替换。
7.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，所述第一应变片(4-1)和第二应变片(4-2)的每对应变片之间采用惠斯通全桥电路连接。
8.根据权利要求1所述的一种分体式二维力传感器，其特征在于，所述矩形截面梁(2)上部可以设置标尺，方便确认被测结构物与第一应变片(4-1)间距离。
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