CN109540347A - 高精度多量程的串联结构新型力传感器组 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料力学试验测量技术领域，提供一种高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其由底座、上盖、加载杆、高量程力传感器、高线性度弹簧、传力轴、低量程力传感器组成。本发明引入小量程的力传感器与大量程力传感器组成串联结构，可同时读取小量程和大量成的力传感器读数，对应不同测量精度。高线性度优质弹簧既能起到预紧平衡初始力作用又能起到限位保护低量程力传感器的作用，在增加密封结构保护的条件下，可内置于压力室腔体用于水下测量，避免加载杆处的摩擦力影响。本发明结构紧凑、合理、可靠、结构稳定性好、有过载保护、密闭防水、使用方便成本低，且传感器的量程可以根据实际需求组合，能适用于不同的材料试验机和加力测量结构。
Description
技术领域
本发明属于材料力学试验测量技术领域，涉及一种高精度多量程的串联结构新型力传感器组。
背景技术
力(称重)传感器在材料力学试验中是必不可少的一个测量单元，单一的力传感器在不同力量程的实验具有不同的测量精度，一般为最大量程的0.1％。因而大量程力(称重)传感器对比较小的力的测量精度相对比较低。力(称重)传感器的测量精度主要受非线性、滞后性、重复性等指标的影响，而非线性指标误差较大，往往是影响力传感器综合精度的主要参数。线性度误差与力(称重)传感器的量程相关，在相同的线性度下，力(称重)传感器的精度就取决于量程的大小，量程越大，对应的力(称重)误差越大，反之精度越高。在实际测量中如果使用小量程的力(称重)传感器优点是测量精度很高，缺点是量程适用范围较窄。同样地，使用大量程力(称重)传感器的优点是适用范围广，缺点是测量精度低。
万能材料试验机的主要功能是在单向拉伸或者压缩的条件下测量力和变形，是材料力学性能测试的主要工具，力的测量直接关系到试验机的性能和精度。三轴实验是研究土体变形的重要手段之一。在土工三轴实验中，一台三轴仪往往只配一个大量程的测力传感器，当进行小荷载试验时，小载荷输出信号很小，信噪比低，测量误差大，很难保证采集的数据的准确性。如果频繁的更换不同量程的力传感器，不仅耗时，成本高，而且加大试验操作的困难。因此为了能测得小载荷下的高精度力测量值，而且能同时满足测量大载荷的要求，就需要配备多量程高精度传感器组。而且，在三轴实验中加载杆处的摩擦力也必须消除，因此为适应不同实验的需求，采用多量程的高精度的力传感器组对土工试验测试技术具有重要意义。
本发明是采用了串联式复合结构组装一个力传感器组，这种复合结构传感器内置于压力室腔体，消除加载杆处摩擦，且结构紧凑、合理、可靠、结构稳定性好、有过载保护、密闭防水、使用方便成本低，而且传感器的量程可以根据实际需求组合。
发明内容
本发明针对材料试验和其它加载结构的大量程传感器力的测量精度低、小量程无法测量大载荷的矛盾问题，本发明提供一种使用弹簧和机械结构保护的高精度多量程串联结构的新型力传感器组。
本发明的技术方案为：
为了实现多量程的测量，本发明提出的一种使用弹簧和机械结构保护的高精度多量程串联结构的新型力传感器组，由力传感器通过串联结构组成。现以串联两个力传感器为例，详细介绍本发明的详细结构和工作原理。该传感器组是由底座1、上盖3、加载杆5、大量程力传感器6、高线性度弹簧10、传力轴11、小量程力传感器12组成。
所述小量程力传感器固定在底座内；所述传力轴固定在小量程力传感器中轴线上，并依次穿过高线性度弹簧、预紧板、加载杆；传力轴一端将力传递到小量程力传感器，同时对高线性度弹簧和加载杆运动导向；通过高线性度弹簧的刚度值和小量程力传感器的量程计算出弹簧的压缩量，进而确定加载杆的轴肩与密封板的距离；所述加载杆下端依次穿过密封板和上盖，与预紧板连接；所述预紧板与高线性度弹簧紧密接触，且接触处有一定的预紧力，主要是平衡整个力传感器组的重力和防止力传感器组工作时出现松动；所述大量程力传感器与加载杆固定连接，整个力传感器组通过加载头与试样接触。
为了固定，所述小量程力传感器通过四个内六角螺栓固定在底座上。
为了便于调节和更换，所述传力轴通过螺纹固定在小量程力传感器上。
所述高线性度弹簧是一种线性合金弹簧，其弹性系数与所选传感器量程相关，如弹簧系数为k，小传感器量程为F1，则弹性系数最小为F1/k。
加载杆下端通过螺纹与预紧板连接。
所述密封板通过四个内六角螺钉固定在上盖上，用于和唇形密封圈配合起加载杆处运动密封作用。底座和上盖通过螺钉连接后压紧O型密封圈，两处密封防止外部的水泄露进来。
本发明的有益效果为：
(1)本发明能引入小量程的力传感器与大量程力传感器组成串联结构，可同时读取小量程和大量成的力传感器读数，对应不同测量精度。
(2)采用高线性度优质弹簧既能起到预紧平衡初始力作用又能起到限位保护小量程力传感器的作用，通过密封结构的保护，可内置于压力室腔体用于水下测量，避免了加载杆处的摩擦力影响。
(3)高精度多量程的力传感器组在材料(含岩土材料)力学试验中有很好的应用价值。
附图说明
图1为串联式力传感器组结构图；
图中：1底座；2O型密封圈；3上盖；4密封板；5加载杆；6大量程力传感器；7内六角螺钉；8唇形密封圈；9预紧板；10高线性度弹簧；11传力轴；12小量程力传感器；13加载头；14内六角螺栓。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做进一步阐述。
一种高精度多量程的串联结构的新型力传感器组是由小量程力传感器(如量程F1)和大量程力传感器(如量程F2，且F1,<F2)以串联形式组合在一起，当施加载荷后弹簧被压缩，对应的载荷值被小传感器检测到，在荷载没超过小量程范围F1时，小量程力传感器和大量程力传感器同时工作，均可采集数据，当荷载达到小量程F1时，弹簧达到最大压缩量，加载杆下端与密封板接触，起到限位作用，即加载杆与密封板没有相对位移产生，小量程力传感器被保护起来，只有大量程力传感器工作。接下来主要介绍小量程力传感器的限位保护原理。
小量程力传感器12是固定在底座1上，加载杆5将力传递到与其接触的高线性度弹簧10上，通过高线性度弹簧10传力到传力轴11，继而传递到小量程力传感器12。加载杆5相对于密封板4的位移是不大于高线性度弹簧10的有效工作压缩量(荷载不超过小量程时对应的最大压缩量，即F1/k)，即加载杆5轴肩距离密封板4上端面高度不超过高线性度弹簧10的有效工作压缩量。在安装的时候，高线性度弹簧10受到一定的预紧力，预紧力的大小取决于整个串联力传感器组的重量；施加预紧力主要是为了让小量程力传感器有一个与串联传感器组重量近似相等的初始值，防止串联传感器组带来的重力施加在试样上而没有被监测。而且预紧力还能防止在长期的使用过程中，各组件配合出现松动等问题。
Claims (7)
1.一种高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：包括底座(1)；O型密封圈(2)；上盖(3)；密封板(4)；加载杆(5)；大量程力传感器(6)；内六角螺钉(7)；唇形密封圈(8)；预紧板(9)；高线性度弹簧(10)；传力轴(11)；小量程力传感器(12)；加载头(13)；内六角螺栓(14)；
所述小量程力传感器(12)固定在底座(1)内；所述传力轴(11)固定在小量程力传感器(12)中轴线上，并依次穿过高线性度弹簧(10)、预紧板(9)、加载杆(5)；
传力轴(11)一端将力传递到小量程力传感器(12)，同时对高线性度弹簧(10)和加载杆(5)运动导向；通过高线性度弹簧(10)的刚度值和小量程力传感器(12)的量程计算出弹簧的压缩量，进而确定加载杆(5)的轴肩与密封板(4)的距离；所述加载杆(5)下端依次穿过密封板(4)和上盖(3)，与预紧板(9)连接；所述预紧板(9)与高线性度弹簧(10)紧密接触，且接触处有一定的预紧力；所述大量程力传感器(6)与加载杆(5)固定连接，整个力传感器组通过加载头(13)与试样接触。
2.根据权利要求1所述的高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：所述小量程力传感器(12)通过四个内六角螺栓(14)固定在底座(1)上。
3.根据权利要求2所述的高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：所述传力轴(11)通过螺纹固定在小量程力传感器(12)上。
4.根据权利要求3所述的高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：所述高线性度弹簧(10)是一种线性合金弹簧,其弹性系数取决于小传感器量程，如弹簧系数为k，小传感器量程为F1，则弹性系数最小为F1/k。
5.根据权利要求3所述的高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：加载杆(5)下端通过螺纹与预紧板(9)连接。
6.根据权利要求3所述的高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：所述密封板(4)通过四个内六角螺钉(7)固定在上盖(3)上。
7.根据权利要求1所述的高精度多量程的串联结构新型力传感器组，其特征在于：底座(1)和上盖(3)通过螺钉连接后压紧O型密封圈(2)。
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