CN112129437B - 一种嵌入式应力测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于测力领域，涉及一种嵌入式应力测量方法。本发明利用被测材料受力变形的特点，在被测结构表面的锥形孔安装嵌入式应力传感器，被测物体的应力变化引起传感器电信号输出，通过采集器采集数据并进行结算，最终实现了被测结构的应力的直接测量。本发明相较于目前应力测量方法，降低了维护成本，提升了测量适应性，实现了对应力的实时监测，能够反映被测构件服役时的工作状态。

Description

一种嵌入式应力测量方法
技术领域
本发明属于测力领域，具体涉及一种嵌入式应力测量方法。
背景技术
随着工业4.0的提出和发展，对应力测量的需求越来越广泛，对一些关键受力结构的应力测量，得到其应力参数，进而实现自动化控制。在工业装备上，例如工业机器人臂架的自动化控制，针对不同质量的物体和不同的搬运速度，需要对起重力大小进行控制，因此对工业机器人臂架受力测量则是必要的；在数控加工中，切削力是数控车床运行中重要参数之一，其大小影响着工件质量、刀具寿命、车床动力消耗等，故切削力的测量与控制有利于提升车床加工性能；在轨道交通上，例如转辙机驱动道岔转换过程中，转换力若超出正常范围则会危及行车安全，测量转辙机转换力有利于提升列车运行的稳定性和安全性；
但是一直以来缺少对结构应力测量的方法，目前对结构应力测量方法主要采用应变片粘接法，将应变片粘接到构件表面，此方法工艺过程复杂，不适合复杂工况安装，难以实现长期测量。此外，对于大部分力传感器例如S型力传感器、销轴式力传感器等，其测量对构件改动大、尺寸大、适应性差、难以实现实时监测。以上两种测量方法在实际应用中均有一定的局限性。
发明内容
为了解决现有应力测量方法繁琐、维护成本高、适应性差等问题，本发明提出一种嵌入式应力测量方法，其灵敏度高、动态响应好、适应性强。利用被测材料受力变形的特点，在被测结构表面的锥形孔安装嵌入式应力传感器，被测物体的应力变化引起传感器电信号输出，通过采集器采集数据并进行结算，最终实现了被测结构的应力的直接测量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种嵌入式应力测量方法，具体步骤如下：
首先在被测结构表面加工出锥形孔，锥形孔的下段为直孔且表面设有螺纹，锥形孔的顶端加工为锥形，锥形孔的形状和尺寸与嵌入式应力传感器7相配合；然后将嵌入式应力传感器7安装进锥形孔内，同时安装过程中保证嵌入式应力传感器7正确定位并保证嵌入式应力传感器7与锥形孔紧密贴合，使嵌入式应力传感器7的弹性体变形与被测物体锥形孔变形一致；弹性体应力变化引发嵌入式应力传感器7中电信号输出，得到被测物体受力状态量值；最后将嵌入式应力传感器7与采集器6连接，通过采集器6采集并解算得到被测物体的应力应变。
所述的嵌入式应力传感器7包括锥形弹性力敏模块、弹性体预紧模块和弹性体封盖模块。
所述的弹性体预紧模块包括螺纹底座4、旋调导杆5和预紧卡环g；所述的螺纹底座4的外部设有螺纹；所述的螺纹底座4和预紧卡环g的中心均设有通孔，且通孔尺寸一致，预紧卡环g固定在螺纹底座4的顶端，螺纹底座4与预紧卡环g同轴；所述的旋调导杆5，其下部插入螺纹底座4与预紧卡环g的通孔中，且旋调导杆5的外表面与螺纹底座4和预紧卡环g的内壁相接触固定，其上部位于螺纹底座4外。
所述的锥形弹性力敏模块包括应变放大圆环2、锥形力敏结构3和力敏电阻c；所述的锥形力敏结构3的材质为弹性材料，其上部为开口的圆形筒体结构，其下部为收缩的锥形筒体结构，锥形筒体结构的内部设有一圈圆环卡槽d，用于安装应变放大圆环2，且上部的圆形筒体结构的直径大于螺纹底座4的直径，螺纹底座4的直径在下部的锥形筒体结构的直径最大值和最小值之间；锥形力敏结构3的筒体上设有与轴线方向平行的一段缺口，从圆形筒体结构的中部一直通到锥形筒体结构的底部，作为预紧间隙f，使应变放大圆环2与锥形力敏结构3的内壁紧密配合；所述的应变放大圆环2为圆环片结构，为了放大应变信号，其材料弹性模量应小于100GPa，且中心通孔的尺寸大于旋调导杆5的直径；所述的力敏电阻c安装在应变放大圆环2上表面，电阻靠近圆环内径，其方向垂直于圆环半径；锥形力敏结构3下部的底部为开口结构，预紧卡环g的上部卡在锥形力敏结构3的底部，且锥形力敏结构3与预紧卡环g之间可以相互旋转；旋调导杆5的顶部位于锥形力敏结构3上方。
所述的弹性体封盖模块包括密封圆筒1；密封圆筒1为下端开口的筒体结构，密封圆筒1套装在锥形力敏结构3外，密封保护锥形力敏结构3内的传感元件；密封圆筒1上盖的中心设有密封孔b，用于旋调导杆5的穿过和密封，旋调导杆5可绕密封孔b旋转，密封孔b旁设有引线孔a，将锥形力敏结构3内的电缆引出并且固定线缆。
测量时，将锥形弹性力敏模块和弹性体预紧模块置于被测物体表面上开设的锥形孔内，通过转动旋调导杆5，使螺纹底座4旋入锥形孔的下段，直至锥形力敏结构3下部的锥形筒体结构的外圆锥面e与锥形孔顶端的锥形内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m。
所述的采集器6包括采集电路与接口；所述的接口包括与传感器接口和输出接口，通过接口将整个装置电路连通；所述的采集电路包括供电模块h、测量模块i、放大模块j、数据处理模块k和信号输出模块l；所述的测量模块i、放大模块j、数据处理模块k和信号输出模块l依次串联，供电模块h为四个模块供电；力敏电阻c通过电缆和传感器接口与测量模块i连接，测量模块i完成对传感器信号的采集并输出电压信号，电压信号经过放大模块j放大后接入数据处理模块k，对初始信号进行清零，并标定输出信号与拉压力的对应关系，最后信号输出模块l通过输出接口与外部的电压表或上位机连接，将电压信号输出，得到被测物体的应力数据。
本发明有益效果为：相较于目前应力测量方法，本发明提升了测量适应性，降低了维护成本，实现了对被测结构应力的实时监测，能够反映被测结构服役时的工作状态。
附图说明
图1(a)和图1(b)分别为本发明所使用的嵌入式应力传感器的整体装配示意图和剖视图。
图2为本发明的嵌入式应力传感器与采集器的连接示意图。
图3为本发明的实际操作示意图。
图中：1密封圆筒；2应变放大圆环；3锥型力敏结构；4螺纹底座；5旋调导杆；6采集器；7嵌入式应力传感器；a引线孔；b密封孔；c力敏电阻；d圆环卡槽；e外圆锥面；f预紧间隙；g预紧卡环；h供电模块；i测量模块；j放大模块；k数据处理模块；l信号输出模块。
具体实施方式
结合技术方案和参数对本发明实施进一步详细说明。
本发明中所使用的测量装置包括嵌入式应力传感器7和采集器6，具体组成以及连接关系如图1(a)和图1(b)以及图2所示。
本实施例中，被测结构的材料为钢，被测结构表面加工的锥形孔，其顶端的锥形部分深3mm，锥度取45°，所攻螺纹取标准螺纹M12(锥形孔的下段直孔部分)，其深度为35mm。嵌入式应力传感器7包括密封圆筒1、应变放大圆环2、锥形力敏结构3、螺纹底座4、旋调导杆5、力敏电阻c、预紧卡环g；所述应变放大圆环2外径14mm，内径6mm；所述锥形力敏结构3材料取钢，中心通孔直径为6mm，外圆锥面e最大直径为16mm，最小直径8mm，与水平夹角成45°；圆环卡槽d尺寸与应变放大圆环2外径保持一致；所述螺纹底座4材料为钢材质，预紧卡环g外径6.5mm，内径5mm，所攻螺纹为M12，螺纹长度取10mm，螺纹底座4总高13mm；在螺纹底座4中心部分加工出内切圆直径4mm的六方孔；所述旋调导杆5材质为钢材质，其上圆柱直径为6mm，从螺纹底座4顶部预紧卡环g和锥形力敏结构3通孔穿过，底部六棱柱尺寸与螺纹底座4六方孔保持一致使旋调导杆5可以带动螺纹底座4旋转，顶部加工出扁平形状以供安装工具夹持；力敏电阻c安装在应变放大圆环2上表面；所述密封圆筒1外径18，总高21mm，其内径与锥形力敏结构3外径保持一致，安装于锥形力敏结构3上方与侧壁，上表面引线孔a直径3mm，用于引出并固定线缆。
本实施例的具体测量步骤如下(安装与连接方式如图3所示)：
步骤1、在被测物体表面打孔
按照嵌入式应力传感器7的尺寸，在被测物体表面加工出锥形孔，锥形孔的下段为直孔且表面设有螺纹，顶端加工为锥形，其形状和尺寸均与嵌入式应力传感器7相配合。
步骤2、嵌入式应力传感器7的定位与安装
应变放大圆环2安装于锥形力敏结构3的圆环卡槽d中，通过收缩预紧间隙f使应变放大圆环2与锥形力敏结构3紧配合；旋调导杆5与螺纹底座4连接，通过六角结构带动螺纹底座4旋转。
由于传感器存在测量敏感方向，安装过程中要对嵌入式应力传感器7进行定位，定位完毕后锥形力敏结构3不再旋转，进一步通过旋转螺纹预紧模块的旋调导杆5，将嵌入式应力传感器7整体安装进被测结构锥形孔内，使螺纹底座4旋入锥形孔的下段，使锥形力敏结构3的外圆锥面e与被测结构的锥形孔表面贴合，然后安装弹性体封盖模块，最终完成传感器的安装。
步骤3、嵌入式应力传感器7与采集器6连接与测量
嵌入式应力传感器7安装好之后，用电缆将锥形力敏结构的力敏电阻c通过传感器接口与采集器6中的测量模块i连接。
步骤4、被测物体的应力应变的测量
嵌入式应力传感器7与采集器6连接好后，当被测结构受到拉压力时，锥形孔产生变形，进而锥形力敏结构3与应变放大圆环2产生变形，通过应变放大圆环2放大应变信号增大传感器灵敏度和线性度；力敏电阻c将力信号转化为电信号传输至采集器6中的测量模块i，放大电路j将测量模块i输出信号放大数倍之后接入数据处理模块l中；数据处理模块l对初始信号(即安装引起的电压值)进行清零，并标定输出信号与拉压力的对应关系，最终输出电压大小表示应力应变大小。
本发明针对传统测量方法应变片操作繁琐、维护成本高、适应性低等问题，提出一种嵌入式应力测量方法，可以对应力进行实时监测。本发明无需粘贴应变片，将传感器安装在被测物体表面的锥形孔内，体积小，安装方便，后期易维护成本低，且不需要改变物体结构即可实现测量，不影响系统正常运行状态。

Claims (1)

1.一种嵌入式应力测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
首先在被测结构表面加工出锥形孔，锥形孔的下段为直孔且表面设有螺纹，锥形孔的顶端加工为锥形，锥形孔的形状和尺寸与嵌入式应力传感器(7)相配合；然后将嵌入式应力传感器(7)安装进锥形孔内，同时安装过程中保证嵌入式应力传感器(7)正确定位并保证嵌入式应力传感器(7)与锥形孔紧密贴合，使嵌入式应力传感器(7)的弹性体变形与被测物体锥形孔变形一致；弹性体应力变化引发嵌入式应力传感器(7)中电信号输出，得到被测物体受力状态量值；最后将嵌入式应力传感器(7)与采集器(6)连接，通过采集器(6)采集并解算得到被测物体的应力应变；
所述的嵌入式应力传感器(7)包括锥形弹性力敏模块、弹性体预紧模块和弹性体封盖模块；
所述的弹性体预紧模块包括螺纹底座(4)、旋调导杆(5)和预紧卡环(g)；所述的螺纹底座(4)的外部设有螺纹；所述的螺纹底座(4)和预紧卡环(g)的中心均设有通孔，且通孔尺寸一致，预紧卡环(g)固定在螺纹底座(4)的顶端，螺纹底座(4)与预紧卡环(g)同轴；所述的旋调导杆(5)，其下部插入螺纹底座(4)与预紧卡环(g)的通孔中，且旋调导杆(5)的外表面与螺纹底座(4)和预紧卡环(g)的内壁相接触固定，其上部位于螺纹底座(4)外；
所述的锥形弹性力敏模块包括应变放大圆环(2)、锥形力敏结构(3)和力敏电阻(c)；所述的锥形力敏结构(3)的材质为弹性材料，其上部为开口的圆形筒体结构，其下部为收缩的锥形筒体结构，锥形筒体结构的内部设有一圈圆环卡槽(d)，用于安装应变放大圆环(2)，且上部的圆形筒体结构的直径大于螺纹底座(4)的直径，螺纹底座(4)的直径在下部的锥形筒体结构的直径最大值和最小值之间；锥形力敏结构(3)的筒体上设有与轴线方向平行的一段缺口，从圆形筒体结构的中部一直通到锥形筒体结构的底部，作为预紧间隙f，使应变放大圆环(2)与锥形力敏结构(3)的内壁紧密配合；所述的应变放大圆环(2)为圆环片结构，其材料弹性模量小于100GPa，且中心通孔的尺寸大于旋调导杆(5)的直径；所述的力敏电阻(c)安装在应变放大圆环(2)上表面，电阻靠近圆环内径，其方向垂直于圆环半径；锥形力敏结构(3)下部的底部为开口结构，预紧卡环(g)的上部卡在锥形力敏结构(3)的底部，且锥形力敏结构(3)与预紧卡环(g)之间能够相互旋转；旋调导杆(5)的顶部位于锥形力敏结构(3)上方；
所述的弹性体封盖模块包括密封圆筒(1)；密封圆筒(1)为下端开口的筒体结构，密封圆筒(1)套装在锥形力敏结构(3)外，密封保护锥形力敏结构(3)内的传感元件；密封圆筒(1)上盖的中心设有密封孔(b)，用于旋调导杆(5)的穿过和密封，旋调导杆(5)绕密封孔(b)旋转，密封孔(b)旁设有引线孔(a)，将锥形力敏结构(3)内的电缆引出并且固定线缆；
测量时，将锥形弹性力敏模块和弹性体预紧模块置于被测物体表面上开设的锥形孔内，通过转动旋调导杆(5)，使螺纹底座(4)旋入锥形孔的下段，直至锥形力敏结构(3)下部的锥形筒体结构的外圆锥面(e)与锥形孔顶端的锥形内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m；
所述的采集器(6)包括采集电路与接口；所述的接口包括与传感器接口和输出接口，通过接口将整个装置电路连通；所述的采集电路包括供电模块(h)、测量模块(i)、放大模块(j)、数据处理模块(k)和信号输出模块(l)；所述的测量模块(i)、放大模块(j)、数据处理模块(k)和信号输出模块(l)依次串联，供电模块(h)为四个模块供电；力敏电阻(c)通过电缆和传感器接口与测量模块(i)连接，测量模块(i)完成对传感器信号的采集并输出电压信号，电压信号经过放大模块(j)放大后接入数据处理模块(k)，对初始信号进行清零，并标定输出信号与拉压力的对应关系，最后信号输出模块(l)通过输出接口与外部的电压表或上位机连接，将电压信号输出，得到被测物体的应力数据。
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