CN110375897A - 一种测力传感器及其恒温保持系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒温保持系统及带有其的测力传感器，可以应用于多种温度条件下的长时材料服役性能测试，如高温和低温环境试验。这种传感器可以直接安装在试验温度箱的内部。在传感器的弹性体之外，设置一个带有导流体的热交换腔，恒温冷却液以一定的流量流入热交换腔，经过一定的时间，传感器保持在一个恒定的工作温度下，避免了由于温度变化所导致的测量误差。在热交换腔的外部，涂覆有绝热保温材料，确保传感器热交换腔和外界环境不发生热交换。在传感器弹性体的内部，安装有微型温度传感器，可以感知弹性体的工作温度，其信号通过引线引到传感器外部，为恒温控制提供测温信号。

Description

一种测力传感器及其恒温保持系统

技术领域

本发明涉及材料性能试验技术领域，特别涉及一种测力传感器及其恒温保持系统。

背景技术

应变式测力传感器在材料长时服役性能试验中被广泛使用。但是，由于传感器本身固有的技术局限(温度特性)，使得传感器在高温或低温环境里，由于温度过高或过低的问题，产生较大的温度误差，主要包括零点温度误差和灵敏度温度误差。

为了避免或减少这种误差，常规的做法是将传感器安装在环境温度箱之外，通过机械传递机构，把被测量(力或变形)引出环境箱，再作用到传感器上，这样，又增加了附加的传递机构误差。

因此，如何消除附加机构所引起的传递误差，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测力传感器及其恒温保持系统，基于热交换的原理将恒温液流引入到传感器上，确保传感器工作在一个恒定的温度范围内，这样，就使得传感器可以安装在环境温度试验箱的内部，消除了机构传递误差；同时，也消除了温度变化所引起的误差。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种恒温保持系统，用于环境温度试验箱内的测力传感器，包括：用于安装在传感器弹性体外壁的热交换装置，能够在所述热交换装置的内壁与所述传感器弹性体的外壁之间形成热交换腔，所述热交换装置的外壁安装有进水口和出水口。

优选地，所述热交换装置的内壁设置有呈螺旋上升状的导流装置。

优选地，多个所述导流装置沿所述热交换装置的内壁的圆周方向均匀分布。

优选地，所述进水口的高度低于所述出水口的高度。

优选地，所述热交换装置的外壁设有绝热保温材料。

优选地，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述传感器弹性体内部，所述恒温保持系统还包括用于同所述温度传感器引线和所述传感器弹性体信号线配合的出线口；或所述温度传感器能够检测冷却液温度。

优选地，还包括泵、散热器和温控器；

所述热交换装置的出水口连接于所述散热器的进水口，所述散热器的出水口连接于所述泵的进水口，所述泵的出水口连接于所述热交换装置的进水口；

所述温控器分别通讯连接于所述温度传感器和所述泵。

优选地，还包括设置在所述散热器的出水口与所述泵的进水口之间的加热器，所述温控器通讯连接于所述加热器。

一种测力传感器，包括：传感器弹性体和如上所述的恒温保持系统，所述恒温保持系统设置于所述传感器弹性体外壁。

优选地，所述传感器弹性体的非安装面和非承载面均设有绝热保温材料。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的恒温保持系统中，沿传感器弹性体外壁设有可流通热交换液的热交换腔，确保传感器弹性体保持在一个恒定的温度范围内，可使得传感器能够安装在环境温度试验箱的内部，不仅消除了传感器因温度变化所引起的检测误差，还避免了附加机构的传递误差，从而保证了传感器的检测精度。本发明还提供了一种测力传感器，由于采用了上述的恒温保持系统，因此其也就具有相应的有益效果，具体可以参照前面说明，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的测力传感器的外观结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热交换装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的测力传感器的应用示意图；

其中，1为热交换装置，2为热交换装置内壁，3为导流装置，4为热交换装置外壁，5为进水口，6为出水口，7为传感器弹性体，8为微型温度传感器，9为出线口，10为绝热保温材料，11为泵，12为散热器，13为温控器，14为加热器，15为环境试验箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的恒温保持系统，用于环境温度试验箱内的测力传感器，包括：用于安装在传感器弹性体7外壁的热交换装置1，能够在热交换装置1的内壁2与传感器弹性体7的外壁之间形成热交换腔，热交换装置1的外壁4安装有进水口5和出水口6，用来注入和排出冷却液，其结构可以参照图1和图2所示；具体地，热交换装置1的内壁2与传感器弹性体7的外壁的接缝需要密封连接，确保热交换腔的密封性，避免流经热交换腔内的热交换液发生渗漏。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的恒温保持系统中，沿传感器弹性体7外壁设有可流通热交换液的热交换腔，确保传感器弹性体保持在一个恒定的温度范围内，可使得传感器能够安装在环境温度试验箱的内部，不仅消除了传感器因温度变化所引起的检测误差，还避免了附加机构的传递误差，从而保证了传感器的检测精度。

具体地，其结构可以参照图2所示，热交换装置1的内壁2设置有呈螺旋上升状的导流装置3，用于引导流入热交换腔内的冷却液(冷却液即为上述的热交换液，下同)形成螺旋上升的冷却液，使得冷却液流能够流至热交换腔上部，确保传感器弹性体7外壁与冷却液接触均匀，以保证热交换性的均匀。此外，为了简化结构和节约生产成本，导流装置3还可以采用简单的工艺来实现，比如将较短的钢丝焊接在热交换装置1的内壁2上，保持螺旋状即可。

在本方案中，其结构可以参照图2所示，多个导流装置3沿热交换装置1的内壁2的圆周方向均匀分布，确保冷却液与传感器弹性体7外壁充分接触，以便为传感器弹性体带走或补充热量，实现均匀且充分的热交换，保证传感器具有良好的恒温性能。需要说明的是，多个导流装置3为相互之间不连通的分段式结构，基于多个导流装置3之间的不连通设计，可以使导流装置3分割的各个区域的压力保持平衡，避免产生液体滞留。

为了进一步优化上述的技术方案，其结构可以参照图1和图2所示，热交换装置1的进水口5的高度低于热交换装置1的出水口6的高度；通过热交换装置1进出通道的一高一低的设计，再配合导流装置3的引导作用，以加大冷却液在热交换腔内的填充量，保证冷却液与传感器弹性体7外壁的充分接触，确保传感器能够充分发生热交换。

在本方案中，其结构可以参照图1所示，热交换装置1的外壁4设有绝热保温材料10，避免热交换腔内的冷却液的热量流失，从而为冷却液提供了强有力的保温作用，以提升了传感器保持恒温的效果。此外，热交换装置1的进出口以及连接的管路均需要保温设计；比如，裸露在热交换装置1外部的管路要用保温材料包裹，防止热交换损失。

具体地，还包括温度传感器，温度传感器设置于传感器弹性体7内部，可提升传感器弹性体7的温度检测精度，其结构可以参照图1所示；作为优选，温度传感器选用微型温度传感器8，具有检测精度高，外观尺寸小(特别适合安装在传感器弹性体7的内部)等特点；恒温保持系统还包括用于同温度传感器引线和传感器弹性体7信号线配合的出线口9。该出线口9具体可采用管道的形式加以实现，该管道穿过热交换装置1内外壁时为密封连接，确保热交换腔内的密封性；相应地，传感器弹性体7上也设有连通于出线口9的出线通道。当然，温度传感器还能设置在传感器弹性体7外部，用于直接检测冷却液温度，即为将温度传感器安装在传感器以外某个可以直接检测冷却液温度的位置，用冷却液温度替代弹性体内部温度，方便更快地调控传感器的温度，使之行之有效地保持在恒定的温度范围内；除此之外，还降低了温度传感器的安装难度，而且也简化了传感器的结构。

作为优选，还包括泵11、散热器12和温控器13，其结构可以参照图3所示；泵11用于为冷却液提供输送的动力，散热器12用于通过冷却液散发传感器中多余的热量；热交换装置1的出水口6连接于散热器12的进水口，散热器12的出水口连接于泵11的进水口，泵11的出水口连接于热交换装置1的进水口5；

温控器13分别通讯连接于温度传感器和泵11；通过温度传感器将传感器内部温度信号或冷却液温度信号反馈给温控器13，温控器13根据反馈情况驱使泵11调节冷却液的流量，以达到调控传感器温度的效果。具体地，当传感器内部温度升高时，内置的温度传感器向控制器13发送信号，控制器13加大泵11的工作频率使冷却液的流量加大，从而带动散热器12加大散热，最终使得传感器的温度下降；当传感器内部温度过低时，比如进行低温试验，控制器13启动加热器14(下面实施例有详细说明)为冷却液加温，使传感器温度升高，从而最终确保传感器工作在一个恒定的温度范围内。

为了进一步优化上述的技术方案，还包括设置在散热器12的出水口与泵11的进水口之间的加热器14，温控器13通讯连接于加热器14，其结构可以参照图3所示。通过加热器14可使得本发明提供的恒温保持系统特别适用于低温环境；比如，当恒温保持系统用于低温试验时，温控器启动加热器14为冷却液加温，以促使传感器温度升高，确保传感器工作在一个合适的温度范围内，保证内部的应变片不会产生温漂。通过加热器14和上述实施例中的散热器12，即可实现传感器温度的调控，以此大大保证了传感器的恒温效果。

本发明实施例还提供了一种测力传感器，包括：传感器弹性体7和如上所述的恒温保持系统，所述恒温保持系统设置于传感器弹性体7外壁，其结构可以参照图1和图3所示。不难理解的是，热交换装置1内壁的上下端部与传感器弹性体7外壁的上下端为密封连接，即为如上所述的热交换装置1的内壁2与传感器弹性体7的外壁的接缝采用密封连接，以确保热交换腔的密封性。优选地，通过激光焊接将两者焊接成为一体，以形成密封的热交换腔；在本方案中采用激光焊接技术实现热交换腔，具有连接紧固，密封性好等特点。当然，还可以采用其它的固定连接方式，比如，胶接，钣金成型等，此处不再赘述。

在本方案中，传感器弹性体7的非安装面和非承载面均设有绝热保温材料10，有效阻止传感器和外部环境发生热量交换，以保持传感器的恒温效果。

下面结合具体实施例对本方案作进一步介绍：

本发明借鉴热交换的原理，将恒温液流引入到传感器上，确保传感器工作在一个恒定的温度范围内，这样，就使得传感器可以安装在环境温度试验箱的内部，消除了机构传递误差。同时，也消除了温度变化所引起的误差。

本发明采用的方案是：在传感器外圈的外侧，设计一个热交换腔，通过热力学计算，得到这个热交换腔的有效容积以及散热液流的流量。冷却液以这个流量流过热交换腔，液流与传感器弹性体外壁接触，带走或补充热量，使传感器的弹性体保持在一个恒定的温度范围内。热交换腔与传感器本体的接缝，采用激光焊接技术，焊牢密封，确保冷却液不会渗漏。

热交换腔的内壁设置有螺旋上升的导流体，冷却液由下部的进水口进入热交换腔，在导流体的作用下，冷却液液流螺旋上升，与传感器弹性体外圈充分接触，带走或补充热量，最后，流经上方的出水口，排出传感器体外。

在热交换腔内部安装有微型温度传感器，其信号线与传感器的信号线交汇在一起，引出传感器，这个温度传感器为后续冷却液温度控制提供了温度信号反馈。

这个微型温度传感器也可以直接装在热交换装置中，或者传感器以外某个可以直接检测冷却液温度的位置，用冷却液温度替代弹性体内部温度。

在热交换腔外侧以及传感器的非安装面和非承载面上，涂覆有泡沫塑料绝热保温材料，有效阻止传感器和外部环境的热量交换。

下面再结合附图对本发明的原理和方案进行进一步的说明：

本发明的目的是提供一种可以在温度试验箱内部使用的测力传感器。众所周知，很多的材料力学试验都要求在高温或低温范围内进行，例如，-60℃的低温疲劳试验、+200℃的蠕变试验，这就要求传感器要有良好的温度特性，在超出应变片工作温度的工况下，仍保持良好的精度。电阻应变式测力传感器以其精度高、长时特性好而广泛用于材料力学试验，但就其原理而言，电阻应变片极易受到温度变化的影响而使得传感器整体精度下降。为此，产生了很多用来补偿温度变化所带来误差的补偿方法，如加补偿电阻或高低温标定等，但这些方法都属于线路补偿，都存在较大的误差。为了解决这个问题，常规的方法是通过一套力传递机构，将试样上的力值或变形传递到温度试验箱以外，再和传感器连接，传感器工作在室温条件下，然后再进行测量，这样的做法不可避免的增加了力值的传递误差。

本发明的方案是传感器依然安装在温度试验箱内，为传感器增加一个热交换装置，保持传感器工作在它自身的工作温度范围内，就可以实现准确测量。

参照附图1和图2，在传感器的外圈上设置一个环形的空腔，即为环柱形的空腔，热交换装置设计为环柱形的空腔，既可以匹配传感器弹性体的外形，又达到最佳的强度效果；这个空腔的结构完全是不锈钢钣金构件，通过激光焊接将其和弹性体外圈焊接成为一体，形成热交换腔，腔外部装有进水口和出水口，具有恒定温度的冷却液由进水口以一定的流速注入热交换腔，腔内内壁装有螺旋状的导流装置，形状是螺旋上升的并且沿内壁圆周方向均匀分布，液流作用到这个装置上，在腔内就会形成螺旋上升的液流，因此液流与传感器弹性体外壁充分的接触，进行热交换。液流在腔内循环一周后，由出水口排出。

为了防止热交换腔和外界发生热交换，在热交换装置的外壁以及传感器非安装面和非承载面上，涂覆有泡沫塑料绝热材料，进行进一步的保温。

在传感器弹性体内部，安装有微型温度传感器，其引线和传感器信号线一起，经出线口引出，这个温度传感器为热交换腔温度调节控制提供温度信息。这个温度传感器也可以安装在传感器以外某个可以直接检测冷却液温度的位置，用冷却液温度替代弹性体内部温度。

参照附图3，传感器安装在温度试验箱内，液泵将冷却液以恒定的流量注入传感器的热交换腔，在由出水口流入散热器，由散热器和大气进行热交换，散发多余的热量。当传感器内部温度升高时，内置的温度传感器发送信号，温控器调节液泵，使流量加大，散热器散发的热量加大，使传感器的温度下降。当进行低温试验时，温控器启动加热器为液流加温，使传感器温度升高。最终，使传感器工作在一个合适的温度范围内，内部的应变片不会产生温漂。

与现有技术相比，本发明提供的测力传感器，传感器外圈上带有保温装置，是在高温或低温环境内使用的传感器产品，应用于高温或低温的环境试验。

本发明提供的热交换装置是在普通轮辐传感器的外圈上，焊接一个薄壁钣金的液流腔，恒温的冷却液在这个空腔中高速流动，液流和外圈外壁接触，带走或补充热量，再通过弹性体金属本体，保持应变片工作在一个“很舒服”的温度内，输出就不会有“由温度所导致的”误差，这样一来，传感器就可以在室温、普通环境下校验，通俗讲，就是把散热器(热交换器)装到传感器上。

本发明提供的热交换装置的热交换方式是对流+传导，即液流在墙体内流动，产生液体对流，带走或补充热量，另一方面，液流与外圈金属接触，通过金属传导，将热量传给或带离应变片。

本发明提供的导流装置。在热交换腔内外侧的壁上焊接有螺旋形的突起物，当液流在腔内流动时，由于“突起”的螺旋作用，液流也螺旋上升流动，确保液流和传感器外圈充分接触，不滞留。

综上所述，本发明实施例提供了一种带有恒温保持装置的应变式测力传感器，这种传感器可以应用于多种温度条件下的长时材料服役性能测试，如高温和低温环境试验。这种传感器可以直接安装在试验温度箱的内部。在传感器的弹性体之外，设置一个带有导流体的热交换腔，恒温冷却液以一定的流量流入热交换腔，经过一定的时间，传感器保持在一个恒定的工作温度下，避免了由于温度变化所导致的测量误差。在热交换腔的外部，涂覆有绝热保温材料，确保传感器热交换腔和外界环境不发生热交换。在传感器弹性体的内部，安装有微型温度传感器，可以感知弹性体的工作温度，其信号通过引线引到传感器外部，为恒温控制提供测温信号。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种恒温保持系统，用于环境温度试验箱内的测力传感器，其特征在于，包括：用于安装在传感器弹性体(7)外壁的热交换装置(1)，能够在所述热交换装置(1)的内壁(2)与所述传感器弹性体(7)的外壁之间形成热交换腔，所述热交换装置(1)的外壁(4)安装有进水口(5)和出水口(6)。

2.根据权利要求1所述的恒温保持系统，其特征在于，所述热交换装置(1)的内壁(2)设置有呈螺旋上升状的导流装置(3)。

3.根据权利要求2所述的恒温保持系统，其特征在于，多个所述导流装置(3)沿所述热交换装置(1)的内壁(2)的圆周方向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的恒温保持系统，其特征在于，所述进水口(5)的高度低于所述出水口(6)的高度。

5.根据权利要求1所述的恒温保持系统，其特征在于，所述热交换装置(1)的外壁(4)设有绝热保温材料(10)。

6.根据权利要求1所述的恒温保持系统，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述传感器弹性体(7)内部，所述恒温保持系统还包括用于同所述温度传感器引线和所述传感器弹性体(7)信号线配合的出线口(9)；或所述温度传感器能够检测冷却液温度。

7.根据权利要求6所述的恒温保持系统，其特征在于，还包括：泵(11)、散热器(12)和温控器(13)；

所述热交换装置(1)的出水口(6)连接于所述散热器(12)的进水口，所述散热器(12)的出水口连接于所述泵(11)的进水口，所述泵(11)的出水口连接于所述热交换装置(1)的进水口(5)；

所述温控器(13)分别通讯连接于所述温度传感器和所述泵(11)。

8.根据权利要求7所述的恒温保持系统，其特征在于，还包括设置在所述散热器(12)的出水口与所述泵(11)的进水口之间的加热器(14)，所述温控器(13)通讯连接于所述加热器(14)。

9.一种测力传感器，其特征在于，包括：传感器弹性体(7)和如权利要求1至8任意一项所述的恒温保持系统，所述恒温保持系统设置于所述传感器弹性体(7)外壁。

10.根据权利要求9所述的测力传感器，其特征在于，所述传感器弹性体(7)的非安装面和非承载面均设有绝热保温材料。