CN106769610B - 一种用于谷物水分检测的测力传感器及测力式谷物水分检测装置 - Google Patents

一种用于谷物水分检测的测力传感器及测力式谷物水分检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于谷物水分检测的测力传感器及测力式谷物水分检测装置，包括：固定端，其用于固定；自由端，其与所述固定端平行并列设置；以及第一V形应变梁，其连接在所述固定端和自由端之间；第二V形应变梁，其连接在所述固定端和自由端之间，并且和所述第一V形应变梁对称布置；应变片，其粘贴于所述第一或第二V形应变梁上。本发明的测力传感器及检测装置具有使响应倍数更大、灵敏度大幅提高的优点。

Description

一种用于谷物水分检测的测力传感器及测力式谷物水分检测 装置
技术领域
本发明涉及传感器技术领域。更具体地说测力传感器，具体涉及一种悬臂梁称重传感器，尤其是涉及一种用于谷物水分检测的测力传感器及测力式谷物水分检测装置。
背景技术
水分是谷物质量高低的重要指标之一，目前谷物水分检测仪被广泛应用于谷物储运、加工、销售等各个环节，测力水分传感器较电阻或电容式传感器的具有准确性高及适用范围广的优点。
专利号为CN 104142358 A的中国发明专利“测力式在线谷物水分传感装置”公布了一种谷物水分传感装置，包含一测力传感器，上述测力传感器沿其纵向一侧端面通过螺钉固定在前壳体内凸台上，其余端面与前壳体内壁之间留有一定间隙，以便于传递挤压力，用于测量二个辊轮之间的谷粒所受的挤压力并将采集到的挤压力信号转化为电信号，上述测力传感器为电阻应变片式测力传感器，以便根据应变片组粘贴方式的改变可以测量二个辊轮传递的谷粒变形的挤压力和动力传动机构的扭力。但是上述发明存在以下问题：1、为配合上述传感器的结构形式及工作方法，上述发明专利谷物水分传感装置的前壳体需设有凸台，增加了制造难度与制造成本；2、传感器输出小、灵敏度低和刚度有限；3、使用普通的悬臂梁称重传感器会增加谷物水分传感装置的结构尺寸，故不适用。
发明内容
本发明目的是提供一种用于谷物水分检测的测力传感器，自由端和固定端之间安装有对称设置的V形应变梁和倒V形应变梁，应变片粘贴在因变梁上，提高测量的灵敏度。
本发明还有一个目的是一种用于谷物水分检测的测力传感器，自由端和固定端之间存在高度差，预留应变梁及自由端形变空间，避免传感器固定造成的误差并减小传感器安装空间。
本发明还有一个目的是提供一种测力式谷物水分检测装置，其内测力传感器采用对称设置的V形应变梁和倒V形应变梁，提高响应倍数和测量灵敏度。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于谷物水分检测的测力传感器，固定端，其用于固定；
自由端，其与所述固定端平行并列设置；以及
第一V形应变梁，其连接在所述固定端和自由端之间；
第二V形应变梁，其连接在所述固定端和自由端之间，并且和所述第一V形应变梁对称布置；
应变片，其粘贴于所述第一或第二V形应变梁上。
优选的是，所述自由端的高度小于固定端的高度，使固定端和自由端的上平面之间存在高度差，固定端和自由端的下平面之间存在高度差。
优选的是，所述第一V形应变梁和第二V形应变梁的各自夹角α为30-60度。
优选的是，所述测力传感器通过放大电路输出谷物对辊轮的一个水平压力F：
其中，UBD为电桥输出；UAC为电桥电压；E是弹性模量；W是抗弯截面模量；κ为应变片灵敏系数；a为弯矩力臂；α为应变梁与水平面角度。
优选的是，所述应变片电连接放大电路。
优选的是，还包括：辊轮轴安装孔，其对称布设在所述固定端和自由端上，并且位于所述第一和第二V形应变梁的对称轴线上，用于连接辊轮。
优选的是，还包括：
电机轴安装孔，其开设在所述固定端上相对于辊轮轴安装孔的一侧，用于支撑电机轴；
定位孔，其布设在所述电机轴安装孔下端，用于固定测力传感器固定。
本发明的目的还可通过一种测力式谷物水分检测装置来实现，其内安装测力传感器，包括：
底座，其为水平面和竖直面组成的L型结构，所述水平面上开设与所述定位孔固定连接的凸台，所述竖直面上开设电机轴装配孔；
电机，其电机轴依次穿过电机轴装配孔和电机轴安装孔进行固定，所述电机用于提供驱动力；
第一辊轮和第二辊轮，两个辊轮轮轴通过辊轮轴安装孔并列设在测力传感器的前面且在电机驱动下相向转动，用于将落入二个辊轮之间的谷粒挤压变形并将挤压力传递给测力传感器。
优选的是，所述第二辊轮外缘加工有沟槽，所述第一辊轮外缘加工有滚花纹，以提高二个辊轮的摩擦力。
优选的是，所述二个辊轮外缘的间隙小于谷粒的最小直径。
本发明至少包括以下有益效果：1、本发明将弹性体采取V形悬臂梁结构代替传统的矩形截面梁结构作为关键弹性元件，该结构可以调整弹性体的刚度和有效质量分布状态，实现较大的灵敏度提升幅度，响应更高放大倍数更大。2、本发明固定端与自由端存在高度差，从而使自由端悬空，为受力形变预留出空间，比传统传感器节约使用空间，安装使用更加简单方便，可以避免由于传感器固定造成的误差。3、本发明弹性体留有多个安装孔可与作为测力式谷物水分传感装置的传感元件，精简水分仪结构尺寸，节约加工成本。4、应变测量方式由拉压应变梁测量转变为弯拉应变梁测量，从材料力学分析应变放大了8倍左右，从而灵敏度系数大幅度提高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的用于谷物水分检测的测力传感器的平面图。
图2是本发明的用于谷物水分检测的测力传感器的立体图。
图3是本发明的用于谷物水分检测的测力传感器的应变梁的受力分析图。
图4是本发明的用于谷物水分检测的测力传感器的应变片的位置结构图。
图5是本发明的用于谷物水分检测的测力传感器的应变片放大电路图。
图6是本发明的一种测力式谷物水分检测装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1-2示出了根据本发明的用于谷物水分检测的测力传感器100的一种实现形式，包括：固定端110、自由端120、应变梁130、应变片140。所述应变片140粘贴于应变梁130上，其根据应变梁130的形变改变电阻值，通过与其连接的放大电路将电阻变化值放大从而将挤压力信号转化为电信号，经过后续电路的处理传输给显示仪表或上位机，从而实现了粮食水分的在线测量；所述应变梁130包括第一V形应变梁和第二V形应变梁，所述第一V形应变梁和第二V形应变梁沿第一水平轴C-C对称设置，所述应变梁130的一端连接固定端110、另一端连接自由端120，构成一体式结构；其中，所述固定端110和自由端120的水平对称轴与所述第一水平轴重合。应变梁130选取V形结构取代传统的直形，从而改变弹性体的刚度和有效质量分布状态，使测力传感器100的灵敏度较大幅度提升，响应更高放大倍数更大。
在另一实施例中，如图1所示，所述固定端110高度大于自由端120的高度，使固定端110和自由端120的上平面之间存在高度差，固定端110和自由端120的下平面之间存在高度差，所述高度差大于等于所述自由端120形变量，从而使自由端120悬空使其留有形变空间，比传统传感器节约使用空间，安装使用更加简单方便，可以避免由于传感器固定造成的误差。
在另一实施例中，如图4所示，所述应变片140由四个相同的电阻式应变片组成，分别为R1、R2、R3和R4，四个电阻式应变片粘贴在所述应变梁130上，可以安装在第一V形应变梁或第二V形应变梁上；所述四个电阻式应变片中心对称安装构成十字行，此种布设可以测量二个辊轮传递的谷粒变形的挤压力。
在另一实施例中，如图5所示，应变片140电连接放大电路，对电阻式应变片的阻值变化进行放大并传输给显示仪表或上位机，从而实现了粮食水分的在线测量。
在另一实施例中，测力传感器100还包括第二辊轮轴安装孔121、第一辊轮轴安装孔113，第一辊轮轴安装孔113为布设在所述固定端110上的通孔结构，其与布设在自由端120上的通孔结构第二辊轮轴安装孔121对称布设，所述第二辊轮轴安装孔121、第一辊轮轴安装孔113用于连接辊轮，所述第二辊轮轴安装孔121、第一辊轮轴安装孔113之间的距离满足：二个辊轮外缘的间隙小于谷粒的最小直径，使从二个辊轮间通过的谷物受积压变形，从而引起应变梁130形变，进一步使应变片140阻值发生变化。
在另一实施例中，测力传感器100还包括：电机轴安装孔111，其开设在所述固定端110上相对于第一辊轮轴安装孔113的一侧，用于连接电机；定位孔112，其布设在所述电机轴安装孔111下端，用于将测力传感器固定在底座相应位置上。通过电机轴安装孔111和定位孔112便于将测力传感器100安装在测量装置上，并保证测量的精度。
在另一实施例中，如图3所示，所述应变梁130材质一般采用铝合金，第一V形应变梁和第二V形应变梁的夹角α为30-60度之间，夹角α使第一V形应变梁和第二V形应变梁的结构易于变化，优选的是，夹角α取45度左右的角度，从而改变弹性体的刚度和有效质量分布状态，使测力传感器100的灵敏度较大幅度提升，提高至4-8倍，响应更高放大倍数更大。
在另一实施例中，如图3所示，粮食籽粒经过两辊轮时对辊轮产生一个水平压力F，通过轴承座作用在测力传感器100上，则应变梁130受到水平方向的力F1为：
F1＝F/2 (1)
则R1和R2处的弯矩M1、M2分别为：
M1＝ε1EW＝F1sinα·d1 (2)
M2＝ε2EW＝F1sinα·d2 (3)
设d1和d2为F1作用点距离R1和R2的距离，由于F1方向平行于A1A2，则R1，R2间的距离a为：
a＝d1-d2 (4)
所以：M1-M2＝F1sinα·(d1-d2) (5)
其中，UBD为电桥输出，单位为V，一般取2-5V；UAC为电桥电压V，一般取2-5V；E是弹性模量，单位为pa；W是抗弯截面模量，单位为m3；κ为应变片灵敏系数，金属电阻丝取1.7-3.6；a为弯矩力臂，单位为N·m；α为应变梁角度，一般取45度；ε1、ε2为应变片黏贴处的弯矩应变。
本发明还包括一种测力式谷物水分检测装置，如图6所示，其内安装如上所述的测力传感器100，还包括底座200、电机300、辊轮400：
底座200为水平面和竖直面组成的L型结构，所述水平面上开设与所述定位孔112固定连接的凸台210，所述竖直面上开设电机轴装配孔220，所述底座200将测力传感器100精确定位在安装位置，保证测量的精度。
电机300的电机轴310依次穿过电机轴装配孔220、电机轴安装孔111进行固定，所述电机300用于驱动辊轮400旋转，为辊轮400的驱动机构。
辊轮400，包括两个辊轮，两个辊轮轮轴通过辊轮轴安装孔并列设在测力传感器100的前面且相向转动，用于将落入二个辊轮之间的谷粒挤压变形并将挤压力传递给测力传感器100；其中，所述测力传感器100的自由端120下端与底座200之间存在间隙，所述间隙大于等于所述自由端120形变量，比传统传感器节约使用空间，安装使用更加简单方便，可以避免由于传感器固定造成的误差。
在另一实施例中，如图6所示，所述辊轮400分别为第一辊轮410和第二辊轮420，所述第一辊轮410外缘均布加工有滚花纹，所述第二辊轮420外缘加工有沟槽，以提高二个辊轮的摩擦力，对其间通过的谷物进行充分挤压。
在另一实施例中，所述第一辊轮410和第二辊轮420外缘的间隙小于谷粒的最小直径，其间通过的谷物进行充分挤压，提高测量精度。
本发明的一种测力式谷物水分检测装置，其测力传感器采取V形悬臂梁结构代替传统的矩形截面梁结构作为关键弹性元件，该结构可以调整弹性体的刚度和有效质量分布状态，实现较大的灵敏度提升幅度，响应更高放大倍数更大。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种用于谷物水分检测的测力传感器，其特征在于：
固定端，其用于固定；
自由端，其与所述固定端平行并列设置；以及
第一V形应变梁，其连接在所述固定端和自由端之间；
第二V形应变梁，其连接在所述固定端和自由端之间，并且和所述第一V形应变梁对称布置；
应变片，其粘贴于所述第一或第二V形应变梁上；
辊轮轴安装孔，其对称布设在所述固定端和自由端上，并且位于所述第一和第二V形应变梁的对称轴线上，用于连接辊轮；
第一辊轮和第二辊轮，两个辊轮轮轴通过辊轮轴安装孔并列设在测力传感器的前面且在电机驱动下相向转动，用于将落入二个辊轮之间的谷粒挤压变形并将挤压力传递给测力传感器。
2.如权利要求1所述的用于谷物水分检测的测力传感器，其特征在于，所述自由端的高度小于固定端的高度，使固定端和自由端的上平面之间存在高度差，固定端和自由端的下平面之间存在高度差。
3.如权利要求1或2所述的用于谷物水分检测的测力传感器，其特征在于，所述第一V形应变梁和第二V形应变梁的各自夹角α为30-60度。
4.如权利要求3所述的用于谷物水分检测的测力传感器，其特征在于，所述测力传感器通过放大电路输出谷物对辊轮的一个水平压力F：
其中，UBD为电桥输出；UAC为电桥电压；E是弹性模量；W是抗弯截面模量；κ为应变片灵敏系数；a为弯矩力臂；α为应变梁与水平面角度。
5.如权利要求4所述的用于谷物水分检测的测力传感器，其特征在于，所述应变片电连接放大电路。
6.如权利要求5所述的用于谷物水分检测的测力传感器，其特征在于，还包括：
电机轴安装孔，其开设在所述固定端上相对于辊轮轴安装孔的一侧，用于支撑电机轴；
定位孔，其布设在所述电机轴安装孔下端，用于固定测力传感器固定。
7.一种测力式谷物水分检测装置，包括权利要求6所述用于谷物水分检测的测力传感器；其特征在于，包括：
底座，其为水平面和竖直面组成的L型结构，所述水平面上开设与所述定位孔固定连接的凸台，所述竖直面上开设电机轴装配孔；
电机，其电机轴依次穿过电机轴装配孔和电机轴安装孔进行固定，所述电机用于提供驱动力；
第一辊轮和第二辊轮，两个辊轮轮轴通过辊轮轴安装孔并列设在测力传感器的前面且在电机驱动下相向转动，用于将落入二个辊轮之间的谷粒挤压变形并将挤压力传递给测力传感器。
8.如权利要求7所述的测力式谷物水分检测装置，其特征在于，所述第二辊轮外缘加工有沟槽，所述第一辊轮外缘加工有滚花纹，以提高二个辊轮的摩擦力。
9.如权利要求8所述的测力式谷物水分检测装置，其特征在于，所述二个辊轮外缘的间隙小于谷粒的最小直径。
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