CN106404262A - 一种可测受力角度的动辊张力传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可测受力角度的动辊张力传感器，包括弹性体，所述弹性体上的12点，3点，6点和9点方向的母线各安装有2个电阻应变计；12点和6点方向的母线上的4个电阻应变计组成一个差动全桥电路，测量竖直方向的弯曲应变；3点和9点方向的母线上的4个电阻应变计组成另一个差动全桥电路，测量水平方向的弯曲应变。本发明通过测量弹性体经外载荷作用后产生的形变特征来测量轴所受的载荷，保证动辊连续转动工作的同时，准确反馈给控制系统动辊的受力大小及方向。

Description

一种可测受力角度的动辊张力传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及测力传感器技术领域，具体涉及一种可测受力角度的动辊张力传感器及测量方法。

背景技术

目前，一般通过直接测量来实现轴载荷测量，即直接将应变敏感原件贴在轴上面进行测量，或者采用单方向的称重传感器进行测量。但是，很多场合下，轴载荷的测量会受到很多方面的制约，如轴所处的环境、轴的工作形式、轴上所受载荷的方向变化，传感器的结构及参数等，这些制约条件都会导致测量结果的不准确。例如：在传送带转动过程中，由于传送带与动辊之间的包角变化，摩擦力改变，主动轴的转速变化等，都会导致轴的受力方向和大小的变化。由于传统的称重传感器只能提供受力大小的测量，从而导致机器控制系统频繁动作，使得系统工作不稳定，或者应该控制但系统却没有动作。因此，怎样才能对动辊上所受力的大小和方向进行有效测量，为控制系统提供双参数，是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可测受力角度的动辊张力传感器及测量方法，通过测量弹性体经外载荷作用后产生的形变特征来测量轴所受的载荷，保证动辊连续转动工作的同时，准确反馈给控制系统动辊的受力大小及方向。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可测受力角度的动辊张力传感器，包括弹性体，所述弹性体上的12点，3点，6点和9点方向的母线各安装有2个电阻应变计；12点和6点方向的母线上的4个电阻应变计组成一个差动全桥电路，测量竖直方向的弯曲应变；3点和9点方向的母线上的4个电阻应变计组成另一个差动全桥电路，测量水平方向的弯曲应变。

上述方案中，每个方向的母线上的2个电阻应变计之间的距离均相等，且其中4个电阻应变计位于同一个圆周上，另外另外4个电阻应变计位于另一个圆周上。

上述方案中，对于每个差动全桥电路，位于同一母线且不同圆周上的2个电阻应变计接在差动全桥电路中相对的位置上；位于不同母线且同一圆周上的2个电阻应变计形成第一串联支路，第一串联支路的串联连接点为信号输出正端；位于不同母线且同一圆周上的另外2个电阻应变计形成第二串联支路，第二串联支路的串联连接点为信号输出负端；第一串联支路与第二串联支路并联后，并联连接点形成该差动全桥电路的电源输入端。

上述方案中，2个差动全桥电路以并联方式共用一个电源，每个差动全桥电路有独立的信号输出端口。

一种可测受力角度的动辊张力传感器的测量方法，包括如下步骤：

步骤1)测量竖直方向弯曲应变的差动全桥电路获得竖直方向的弯曲应变ε₁，测量水平方向弯曲应变的差动全桥电路获得水平方向的弯曲应变ε₂；

步骤2)基于胡克定理，根据竖直方向的弯曲应变ε₁计算竖直方向的外载荷分力F₁，根据水平方向的弯曲应变ε₂计算水平方向的外载荷分力F₂；

式中，E为弹性体的弹性模量，D为弹性体敏感区横截面外径，α为弹性体敏感区横截面外径和内径的比值，l为每条母线上的2个电阻应变片之间的中点离轴承中心竖直截面的距离，ε₁为竖直方向的弯曲应变，F₁为竖直方向的外载荷分力，ε₂为水平方向的弯曲应变，F₂为水平方向的外载荷分力；

步骤3)根据竖直方向的外载荷分力F₁和水平方向的外载荷分力F₂，求解总载荷力F以及总载荷力与竖直方向的夹角θ，其中

总载荷力F为：

总载荷力与竖直方向的夹角θ：或

式中，F为总载荷力，θ为总载荷力与竖直方向的夹角，F₁为竖直方向的外载荷分力，F₂为水平方向的外载荷分力。

与现有技术相比，本发明利用了轴的外载荷与通过轴承传到弹性体后弹性体所受载荷矢量相同，通过电阻应变计测得垂直和水平方向上的两个应变，根据牛顿第三定律和虎克定理计算出外载荷。本发明不同于传统方法只能测量单一方向的受力，通过双电桥方法，测量传感器弹性体横向和纵向的应变，再根据虎克定理和力的合成原理，计算出轴载荷的大小以及方向，从而实现传感器的双参数输出，本发明的测力传感器结构简单，安装和更换方便。

附图说明

图1是一种可测受力角度的动辊张力传感器结构的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的A-A向剖视图。

图4是图2的B-B向剖视图。

图5是一种可测受力角度的动辊张力传感器的电阻应变计连接图。

图6是使用状态参考图。

图7是轴的受力图。

图中标号：1、轴承盖；2、轴承；3、弹性体；4、电阻应变计；5、连接器；6、外壳；7、支撑座；8、轴。

具体实施方式

一种可测受力角度的动辊张力传感器，如图1～4所示，由轴承盖1、轴承2、弹性体3、电阻应变计4、连接器5、外壳6和支撑座7组成。载荷作用在动辊上，动辊通过轴8和轴承2将载荷传递到传感器弹性体3，使得弹性体3受到一个矢量相同的载荷后产生的弯曲变形，通过电阻应变计4测量出弹性体3的外载荷，可计算出轴8所受的载荷。

电阻应变计4粘贴在弹性体3中段的外侧壁上，用来测量弹性体3受到的应变。轴承2嵌设在弹性体3前段的内侧，轴承2的外圈与弹性体3前段的内侧壁配合，轴承2的内圈直径小于弹性体3中段的内侧壁直径。轴承2的内圈直径与待测动辊轴8的外直径相等。弹性体3和轴8是通过轴承2连接的，轴8的外载荷通过轴承2传递给弹性体3，从而使弹性体3产生形变。弹性体3上安装有轴承盖1，即轴承盖1覆盖在弹性体3的前端，以防止灰尘等杂质进入轴承2中。轴承盖1中部开设有一通孔，轴承盖1的通孔的直径与轴承2内圈的直径相等。外壳6嵌套在弹性体3的外侧，并将电阻应变计4包覆在外壳6的内侧壁与弹性体3的外侧壁之间的间隙处，起到保护连接线路和电阻应变计4的作用。外壳6的后端通过螺纹与弹性体3连接，外壳6的前端与弹性体3之间的边缘缝隙填充硅胶，保护弹性体3免受水和油等侵蚀，提高传感器的耐用度。为了方便电阻应变计4的连接导线的引出，外壳6上设置有连接器5，电阻应变计4的连接导线由外壳6上设置的连接器5引出。支撑座7呈竖直设置，弹性体3的后端固连在支撑座7的侧壁上，且弹性体3的中轴8线与支撑座7的侧壁相垂直。弹性体3通过螺栓与支撑座7连接。

对于弹性体3外载荷的测量，本发明通过在弹性体3的外表面上粘贴的8个电阻应变计4来实现。对于每个差动全桥电路，位于12点及6点方向母线上的4个电阻应变计4形成第一差动全桥电路，位于3点及9点方向母线上的另外4个电阻应变计4形成第二差动全桥电路。其中4个电阻应变计4即第一、第三、第五和第七电阻应变计均布在靠近支撑座7的弹性体3的一个圆周上，另外4个电阻应变计4即第二、第四、第六和第八电阻应变计均布在靠近轴承2的弹性体3的另一个圆周上。第一和第二电阻应变计4位于弹性体12点方向的母线上，第三和第四电阻应变计4位于弹性体6点方向的母线上。即在竖直方向上即弹性体3的上下表面各安装2个电阻应变计4组成第一个差动全桥电路，用于测量竖直方向上的应变。第五和第六电阻应变计4位于弹性体3点方向的母线上，第七和第八电阻应变计4位于弹性体9点方向的母线上。即在水平方向上即弹性体3左右表面各安装2个电阻应变计4组成第二个差动全桥电路组，用于测量水平方向上的应变。

第一个差动全桥电路组和第二个差动全桥电路组均采用差动全桥接法连接。对于第一差动全桥电路，位于12点方向同一母线上的2个电阻应变计4分别接在A、B之间与C、D之间，6点方向同一母线上的2个电阻应变计4接在B、C之间与D、A之间，A接电源正输入端，C接电源负输入端，B为信号输出正端，D为信号输出负端；对于第二差动全桥电路，位于3点方向同一母线上的2个电阻应变计4分别接在E、F之间与G、H之间，9点方向同一母线上的2个电阻应变计4接在F、G之间与H、E之间，E接电源正输入端，G接电源负输入端，F为信号输出正端，H为信号输出负端。第一差动全桥电路与第二差动全桥电路并联后，共用电桥电源的正极和负极。每个差动全桥电路有独立的信号输出端口。参见图5。

此外，传感器所配置的采集电路集成有微处理器，可执行各种运算和控制指令，将传感器两个分载荷F₁和F₂及总载荷F的大小及角度计算后显示出来，并传输给控制系统。

使用时，将待测动辊的轴8装配到本发明的轴承2内圈，参见图6。对于传送带在工作中施加给轴8的外载荷，由于弹性体3的载荷是由轴8通过轴承2传递得到的，可以通过测量弹性体3所受载荷得出，测量仪表上的总载荷大小等于传送带施加给轴8的载荷的大小，并且通过图7可知，总载荷F与垂直方向的夹角θ可以通过公式得到，从而得到总载荷F的方向，也就是得到轴8所受载荷的方向，这样就可以知道传送带在生产工作中对轴8施加载荷的大小和方向了。在工作过程中，传送带给轴8的载荷具有一定的方向性，如果传送带给轴8的力的方向超过一定的范围就说明传送带的工作状态已经不正常，如图7所示，在F₁F₂坐标系中，假定总载荷F的方向在第一象限，说明传送带工作状态正常，如果F在第二、三、四象限的话，说明传送带工作状态不正常，通过仪器在传送带状态不正常时发出警报信号，这样工厂技术人员能够立即处置。通过测量仪表，技术人员也可以随时观察传送带的工作状态。

具体来说，上述可测受力角度的动辊张力传感器的测量方法，包括步骤如下：

步骤1动辊受到外载荷的作用，轴8上的载荷通过轴承2传递给弹性体3。由于轴8受到的载荷与弹性体3受到的载荷矢量相同，因此通过轴承2传递引起弹性体3产生应变。通过测量竖直方向弯曲应变的差动全桥电路获得竖直方向的弯曲应变ε₁，通过测量水平方向弯曲应变的差动全桥电路获得水平方向的弯曲应变ε₂。

步骤2基于胡克定理，根据竖直方向的弯曲应变ε₁计算竖直方向的外载荷分力F₁，根据水平方向的弯曲应变ε₂计算水平方向的外载荷分力F₂。

式中，E为弹性体3的弹性模量，D为弹性体3敏感区横截面外径，α为弹性体3敏感区横截面外径和内径的比值，l为每条母线上的2个电阻应变片之间的中点离轴承2中心竖直截面的距离，ε₁为竖直方向的弯曲应变，F₁为竖直方向的外载荷分力，ε₂为水平方向的弯曲应变，F₂为水平方向的外载荷分力。

步骤3基于牛顿第三定律，根据竖直方向的外载荷分力F₁和水平方向的外载荷分力F₂，求解总载荷力F以及总载荷力与竖直方向的夹角θ，参见图7，其中：

总载荷力F为：

总载荷力与竖直方向的夹角θ：或

式中，F为总载荷力，θ为总载荷力与竖直方向的夹角，F₁为竖直方向的外载荷分力，F₂为水平方向的外载荷分力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可测受力角度的动辊张力传感器，包括弹性体(3)，其特征在于：所述弹性体(3)上的12点，3点，6点和9点方向的母线各安装有2个电阻应变计(4)；12点和6点方向的母线上的4个电阻应变计(4)组成一个差动全桥电路，测量竖直方向的弯曲应变；3点和9点方向的母线上的4个电阻应变计(4)组成另一个差动全桥电路，测量水平方向的弯曲应变。

2.根据权利要求1所述的一种可测受力角度的动辊张力传感器，其特征在于：每个方向的母线上的2个电阻应变计(4)之间的距离均相等，且其中4个电阻应变计(4)位于同一个圆周上，另外另外4个电阻应变计(4)位于另一个圆周上。

3.根据权利要求1或2所述的一种可测受力角度的动辊张力传感器，其特征在于：

对于每个差动全桥电路，位于同一母线且不同圆周上的2个电阻应变计(4)接在差动全桥电路中相对的位置上；位于不同母线且同一圆周上的2个电阻应变计(4)形成第一串联支路，第一串联支路的串联连接点为信号输出正端；位于不同母线且同一圆周上的另外2个电阻应变计(4)形成第二串联支路，第二串联支路的串联连接点为信号输出负端；第一串联支路与第二串联支路并联后，并联连接点形成该差动全桥电路的电源输入端。

4.根据权利要求1所述的一种可测受力角度的动辊张力传感器，其特征在于：2个差动全桥电路以并联方式共用一个电源，每个差动全桥电路有独立的信号输出端口。

5.基于权利要求1所述的一种可测受力角度的动辊张力传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)测量竖直方向弯曲应变的差动全桥电路获得竖直方向的弯曲应变ε₁，测量水平方向弯曲应变的差动全桥电路获得水平方向的弯曲应变ε₂；

步骤2)基于胡克定理，根据竖直方向的弯曲应变ε₁计算竖直方向的外载荷分力F₁，根据水平方向的弯曲应变ε₂计算水平方向的外载荷分力F₂；

$F_1=\frac{{\mathrm{\πE\ϵ}}_1{D}^3(1-{\mathrm{\α}}^4)}{32l};$

$F_2=\frac{{\mathrm{\πE\ϵ}}_2{D}^3(1-{\mathrm{\α}}^4)}{32l};$

式中，E为弹性体(3)的弹性模量，D为弹性体(3)敏感区横截面外径，α为弹性体(3)敏感区横截面外径和内径的比值，l为每条母线上的2个电阻应变片之间的中点离轴承(2)中心竖直截面的距离，ε₁为竖直方向的弯曲应变，F₁为竖直方向的外载荷分力，ε₂为水平方向的弯曲应变，F₂为水平方向的外载荷分力；

步骤3)根据竖直方向的外载荷分力F₁和水平方向的外载荷分力F₂，求解总载荷力F以及总载荷力与竖直方向的夹角θ，其中

总载荷力F为：

总载荷力与竖直方向的夹角θ：或

式中，F为总载荷力，θ为总载荷力与竖直方向的夹角，F₁为竖直方向的外载荷分力，F₂为水平方向的外载荷分力。