CN111122028B

CN111122028B - 应力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN111122028B
Application number: CN201911324009.7A
Authority: CN
Inventors: 应鹏飞; 陈文韬; 葛宇龙; 夏勇; 周青
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN111122028A; WO2021120373A1

Abstract

本申请涉及一种应力传感器及其制备方法。所述待测件固定部具有中心对称轴，所述夹持部一端垂直固定于所述待测件固定部一表面的中心。所述夹持部的轴线通过所述中心对称轴。因此，所述应力传感器整体构成一个轴对称结构。因此能够保证单一模态振动状态，在将应变片固定在应变片固定位获取测量信号时，能够减少所述测量信号中的振动成分，便于对信号分析，提高测试的准确性，减小了信号分析的难度，提高工作效率。

Description

应力传感器及其制备方法

技术领域

本申请涉及测量领域，特别是涉及一种应力传感器及其制备方法。

背景技术

现有的中高应变率动态测量传感器设计仅考虑结构低阶固有振动频率和系统阻尼比参数，期望基于简单的传感器轻量化方法实现传感器本征频率的提高进而防止结构振铃效应实现信号精度的保证。但是随着加载速率的进一步提高，传感器结构振动响应不可避免，而实际上传感器的振动往往由多模态叠加形成，再加上噪声等其他干扰成分，得到的测量信号中混合得振动成分较多，难以对信号进行分析。在一定的应变率下，基本无法得到材料的力学特性响应。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种应力传感器及其制备方法。

一种应力传感器，所述应力传感器包括：

待测件固定部，所述待测件固定部为立方体结构；

夹持部，垂直固定于所述待测件固定部一表面的中心，以及

应变片固定位，位于所述加持部靠近所述待测件固定部的一端。

在一个实施例中，所述待测件固定部具有中心对称轴，所述夹持部长度的延伸方向通过所述中心对称轴，所述待测件固定部设置有固定通孔和与所述固定通孔连通的开口，所述固定通孔和所述开口关于所述中心对称轴对称设置，所述固定通孔的轴线与所述中心对称轴垂直设置，所述开口沿着所述固定通孔的轴线的延伸方向贯穿所述待测件固定部。

在一个实施例中，在垂直于所述中心对称轴的平面，所述开口的横截面积小于所述固定通孔的横截面积。

在一个实施例中，所述固定通孔和所述开口为立方体结构。

在一个实施例中，所述固定通孔内设置有加强梁，所述加强梁偏离所述中心对称轴设置。

在一个实施例中，所述固定通孔设置于所述待测件固定部远离所述夹持部的一侧。

在一个实施例中，所述夹持部为立方体结构。

在一个实施例中，所述待测件固定部和所述加持部由铝合金材料制成。

一种应力传感器的制备方法，包括：

S10,建立待测件和传感器的配合模型；

S20，基于所述配合模型，通过预设边界条件进行有限元模拟；

S30，根据所述有限元模拟结果中所述待测件断裂的尾波信号，得到应力传感器。

在一个实施例中，所述S30包括：

S31，获取所述有限元模拟结果中所述待测件断裂的尾波信号；

S32，通过一阶弹簧振子阻尼系统的自由振荡运动学描述方程对所述尾波信号进行拟合得到拟合曲线；

S33，获取相似度最高的所述拟合曲线对应的所述传感器模型；

S34，基于所述传感器模型制作得到所述应力传感器。

本申实施例提供的所述应力传感器及其制备方法，所述待测件固定部具有中心对称轴，所述夹持部垂直固定于所述待测件固定部一表面的中心。所述夹持部的轴线通过所述中心对称轴。因此，所述应力传感器整体构成一个轴对称结构。因此能够保证单一模态振动状态，从而在将应变片固定在应变片固定位测量信号时，能够减少测量信号中的振动成分，减小噪声干扰，便于对信号分析，从而便于得到力学特性相应信息。

附图说明

图1为本申请实施例提供的应力传感器的正视图；

图2为本申请实施例提供的应力传感器的侧视图；

图3为本申请实施例提供的应力传感器立体图；

图4为本申请实施例提供的应力传感器与待测件配合图；

图5为力信号和时间关系的测试曲线图。

附图标记说明：

应力传感器 10

待测件固定部 100

固定通孔 110

开口 120

中心对称轴 130

夹持部 200

应变片固定位 300

加强梁 400

待测件 500

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的应力传感器及其制备方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种应力传感器10。所述应力传感器10包括待测件固定部100、夹持部200和应变片固定位300。所述待测件固定部100为轴对称结构。所述夹持部200垂直固定于所述待测件固定部100一表面的中心。所述夹持部200的轴线通过所述中心对称轴130。所述应变片固定位300设置于所述夹持部20靠近所述待测件固定部100的一端。

请参见图2，在一个实施例中，所述待测件固定部100可以用于待测件500。所述待测件固定部100可以为立方体结构。所述立方体结构可以为中心对称结构。所述立方体结构的截面可以为正方形，也可以为长方形。可以理解，所述待测件固定部100还可以为多边形立体结构、圆柱结构等中心对称机构。

所述夹持部200可以用于连接试验机的静端。因此所述应力传感器10可以作为所述待测件500和所述试验机的连接件，可以对中高应变率材料做拉伸试验。所述试验机相对于所述应力传感器10的刚度更大，且通过所述试验机夹紧所述应力传感器10，使得接触面不会产生相对滑动。可以避免由于固定结构的非线性接触和惯性力影响中高应变率材料拉伸试验中信号的有效性。

所述夹持部200可以为立方体结构，也可以为具备两个平行平面的结构体。所述两个平行平面可以便于夹持。所述夹持部200垂直固定于所述待测件固定部100一表面的中心。所述表面可以为中心对称图形。所述夹持部200垂直固定于所述中心。即所述夹持部200的轴线通过所述待测件固定部100的所述中心对称轴130。所述应变片可以是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。

材料变形测量主要利用所述应变片的应变效应。导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，进而引起测量桥路的电压变化。直接测量信号为电压-时间信号，因此所述应变片需要粘贴在弹性段保证电压与变形成线性关系，通过比例系数即可得到应变-时间信号，如式所示：V(t)＝kε(t)。将所述应变片设置于所述夹持部200靠近所述待测件固定部100的一端，能够保证所述应变片粘贴在弹性段，进而能够保证电压与变形成线性关系。因此，所述应变片固定位300位于所述夹持部200靠近所述待测件固定部100的一端。

所述待测件固定部100可以具有足够的刚度。所述应力传感器10变形时应始终处于弹性段。所述夹持部200的横截面积需要基于所述待测件500的最大拉伸力和感测器材料屈服应力确定。在一个实施例中，所述夹持部200的截面面积和所述应力传感器10选材的屈服应力乘积为两倍的所述待测件500最大载荷。

本申实施例提供的所述应力传感器10。所述待测件固定部100具有中心对称轴300，所述夹持部200一端垂直固定于所述待测件固定部100一表面的中心。所述夹持部200的轴线通过所述中心对称轴300。因此，所述应力传感器10整体构成一个轴对称结构。因此能够保证单一模态振动状态，在将应变片固定在应变片固定位300获取测量信号时，能够减少所述测量信号中的振动成分，便于对信号分析，提高测试的准确性，减小了信号分析的难度，提高工作效率。

请参见图3，在一个实施例中，所述夹持部200长度的延伸方向通过所述中心对称轴130。所述待测件固定部100设置有固定通孔110和与所述固定通孔110连通的开口120。所述固定通孔110和所述开口120关于一通过所述中心对称轴130的平面对称设置。所述开口120沿着所述固定通孔110的轴线的延伸方向贯穿所述待测件固定部100。所述待测件500通过所述开口120设置于所述固定通孔110中。因此，通过所述开口120设计可以释放所述待测件500的冗余自由度，同时便于安装所述待测件500，而无需人工紧固其他部件，无需每个试件都单独黏贴应变片，从而提高了工作效率。

所述待测件固定部100可以为中心轴对称结构。所述夹持部200的轴线在所述中心对称轴130的延长线上。所述固定通孔110可以用于固定所述待测件500。因此，所述应力传感器10具有良好的对称性。所述开口120沿着所述固定通孔110的轴线的延伸方向贯穿所述待测件固定部100。所述固定通孔110和所述开口120均可以为立方体结构。在一个实施例中，所述待测件固定部100可以为立方体结构。所述通过所述中心对称轴130的平面可以关于所述立方体结构的两个相对的表面平行。

所述待测件500的一端可以固定于所述固定通孔110中，所述待测件500的另一端通过所述开口120向远离所述固定通孔110的一端延伸。通过拉伸所述待测件500的另一端可以对待测件500进行拉伸测试。

请参见图4，所述待测件500可以为“工”字形结构。所述“工”字形结构的一端可以通过所述开口120固定于所述固定通孔110。由于所述固定通孔110贯穿所述待测件固定部100，因此，所述待测件500固定在所述固定通孔110中靠近所述固定通孔110两端的部分并没有与所述待测件固定部100接触，从而避免对所述待测件500约束过多，使得多余的摩擦等造成所述应力传感器10所受载荷不单向的问题，减少干扰。所述开口120沿着所述固定通孔110的轴线的延伸方向贯穿所述待测件固定部100，因此所述待测件500可以从所述固定通孔110和所述开口120一侧沿着垂直于所述固定通孔110的轴线的平面平移进入所述固定通孔110和所述开口120。

可以理解，所述固定通孔110的横截面可以为圆形或者矩形。所述开口120可以为由所述待测件固定部100的表面伸向所述固定通孔110的立方体孔洞。

在一个实施例中，在垂直于所述中心对称轴130的平面，所述开口120的横截面积小于所述固定通孔110的横截面积。因此，当将所述待测件500移入所述固定通孔110和所述开口120后，由于所述待测件500两端的横截面积大于中间部分的横截面积。因此所述待测件500的中间部分可以穿过所述开口120，而所述待测件500位于所述固定通孔110的一端由于横截面积较大，会卡合在所述固定通孔110靠近所述开口120的表面。从而达到固定所述待测件500的目的。当拉伸所述待测件500远离所述固定通孔110的一端时，所述待测件500只受到所述固定通孔110靠近所述开口120的内壁的支持力，因此所述待测件500受到的约束力少，进一步避免了所述应力传感器10载荷不单向的问题。并且，所述固定通孔110和所述开口120构成卡槽式设计。该设计不但可以释放所述待测件500在实验中的多余自由度，抑制载荷偏心所带来的多模态激发，同时安装简单快捷，可以提高实验效率。

在一个实施例中，所述固定通孔110和所述开口120为立方体结构。所述固定通孔110和所述开口120连通。所述立方体结构便于制作和布置。

在一个实施例中，所述固定通孔110内设置有加强梁400。所述加强梁400偏离所述中心对称轴130设置。由于卡槽结构天然形成类悬臂梁结构，该结构会弱化结构头部前端的等效刚度，并在头部形成面相振动的冗余子结构。这会导致被测信号中混杂高频信号。因此通过在卡槽中间设置所述加强梁400，一方面可以显著提高所述待测件固定部100的振动频率，使结构振动模式进一步趋近单一，也能有效对于实验中所述待测件500的安装起到定位作用。

所述偏心加强梁400理论上可能导致整体结构的结构振荡呈现非轴向的振动传播，造成尾部应变片粘贴部位的信号不对称和信号复杂化。但是根据实际实验结果、模拟以及信号处理结果，该偏心加强梁400由于偏心程度较弱，结构的相对刚度小，能在不显著影响尾部测量段两侧的应变信号对称性和单一性的前提下，显著减小测量信号中高阶振动频率。

在一个实施例中，所述固定通孔110设置于所述待测件固定部100远离所述夹持部200的一侧，因此所述固定通孔110靠近所述待测件固定部500的一端设置，可以便于配合所述待测件500，使得所述待测件500通过所述开口120伸出的部分长度更长，便于拉伸设备夹持。

在一个实施例中，所述夹持部200为立方体结构。立方体结构可以增加所述夹持部200被固定时的静摩擦力，防止在拉伸过程中脱落。且所述立方体结构具有相对的平行面，可以便于和拉伸机夹具匹配。

在一个实施例中，所述待测件固定部100和所述夹持部200由铝合金材料制成。铝合金材料具有较高的轻度，可以承受所述待测件500的载入。同时，所述铝合金材料应变率效应低，成本低，且强度较低，便于切削制作。

本申请实施例还提供一种应力传感器10的制备方法。所述方法包括：

S10,建立待测件500和感测器的配合模型；

S30，根据所述有限元模拟结果中所述待测件500断裂的尾波信号，得到应力传感器10。

所述S10中，可以通过电脑软件建立待测件500和传感器的配合模型。

所述S20中，可以先大致估计所述待测件500的响应曲线，然后大致估计所述待测件500的响应曲线，将所述待测件500设置成对应的材料。施加实验目标速度的速度边界条件于所述待测件500的一端。所述待测件500的另一端被固定约束。

请参见图5，所述S30中，针对每个配合模型，在模拟过程中都会在所述待测件500断裂后输出尾波。迭代过程中，可以不断调整所述配合模型的形态结构，根据尾波正弦性的形态确定最佳的配合模型，从而得到所述应力传感器10。

在一个实施例中，所述S30包括：

S31，获取所述有限元模拟结果中所述待测件500断裂的尾波信号；

S34，基于所述传感器模型制作得到所述应力传感器。

所述S32中，所述一阶弹簧振子阻尼系统的自由振荡运动学描述方程为

其中：A，B，ζ，ω₀，t₀均为常数，且测量系统通常阻尼较低。设计不当时，会造成其他振动成分过多的进入测量信号，使尾波偏离此方程。故可以用上式对尾波进行拟合。

所述S33中，可以认为拟合结果为理论上应该得到的尾波信号，将拟合的曲线相似度R²作为判断标准，并得到相似度最高的所述拟合曲线对应的所述传感器模型。

所述S34中，可以根据所述传感器模型的形态、尺寸和材质等条件制作所述应力传感器模型。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种应力传感器，其特征在于，包括：

待测件固定部(100)，所述待测件固定部(100)具有中心对称轴(130)；

夹持部(200)，垂直固定于所述待测件固定部(100)一表面的中心，所述夹持部(200)的轴线通过所述中心对称轴(130)，以及

应变片固定位(300)，位于所述夹持部(200)靠近所述待测件固定部(100)的一端；

所述夹持部(200)长度的延伸方向通过所述中心对称轴(130)，所述待测件固定部(100)设置有固定通孔(110)和与所述固定通孔(110)连通的开口(120)，所述固定通孔(110)和所述开口(120)关于一通过所述中心对称轴(130)的平面对称设置，所述开口(120)沿着所述固定通孔(110)的轴线的延伸方向贯穿所述待测件固定部(100)。

2.如权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，在垂直于所述中心对称轴(130)的平面，所述开口(120)的横截面积小于所述固定通孔(110)的横截面积。

3.如权利要求2所述的应力传感器，其特征在于，所述固定通孔(110)和所述开口(120)为立方体结构。

4.如权利要求3所述的应力传感器，其特征在于，所述固定通孔(110)内设置有加强梁(400)，所述加强梁(400)偏离所述中心对称轴(130)设置。

5.如权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述固定通孔(110)设置于所述待测件固定部(100)远离所述夹持部(200)的一侧。

6.如权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述夹持部(200)为立方体结构。

7.如权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述待测件固定部(100)和所述夹持部(200)由铝合金材料制成。

8.如权利要求1所述的应力传感器，其特征在于，所述待测件固定部(100)为立方体结构。

9.一种应力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

S10,建立待测件(500)和传感器的配合模型；

S30，根据所述有限元模拟结果中所述待测件(500)断裂的尾波信号，得到应力传感器(10)；

所述S10包括：通过电脑软件建立所述待测件(500)和所述传感器的配合模型；

所述S20包括：先估计所述待测件(500)的响应曲线，将所述待测件(500)设置成对应的材料，在所述待测件(500)的一端施加实验目标速度的速度边界条件，并将所述待测件(500)的另一端固定约束，并进行有限元模拟；

所述S30包括：

S33，获取相似度最高的所述拟合曲线对应的传感器模型；

S34，基于所述传感器模型制作得到所述应力传感器(10)。

10.如权利要求9所述的应力传感器的制备方法，其特征在于，所述S34包括：

根据所述传感器模型的形态、尺寸和材质制作所述应力传感器(10)。