CN113155334A - 一种全量程轴向测力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种全量程轴向测力传感器，由钢制弹性体、形变信号采集电路、信号选择电路、橡胶缓冲圈、航空插头组成。通过结合传感器结构设计、信号多级交叉响应控制等方式，设计一种实现从小量程力到大量程力全范围测量的轴向测力传感器。对传感器所受的力采用交叉分段，多级采集，柔性过度的方式进行获取，进而实现全量程测量；同时为保证输出灵敏度一致以及避免应变片形变力过大导致的损坏，采用降低输出灵敏度的措施。本发明通过结构创新突破了采用新材料带来的技术及成本限制，提出一款大量程的轴向测力传感器，具有很高的推广应用价值和经济效益。

Description

一种全量程轴向测力传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其是一种全量程轴向测力传感器。
背景技术
轴向力的测量在桥梁、车辆、航空航天等得到大量的应用，且从小量程到大量程的测量都广泛涉及到。同时随着数字信息化技术的突飞猛进推动了传感器技术及测力技术的飞速发展。但受限于弹性体材料和传感器结构，对于测力传感器来说，精准度高的传感器量程小，量程大的传感器精准度低。对于弹性体材料来说，由于国内材料及材料成型技术及成本的限制，基于新材料弹性体的测力传感器市场应用及推广效果并不明显，因此可另辟蹊径，从传感器设计结构上来寻求突破测力传感器在量程范围方面的限制。
发明内容
本发明的目的提供一种全量程轴向测力传感器。本项目通过结合传感器结构设计、信号多级交叉响应控制等方式，设计一种实现从小量程力到大量程力全范围测量的轴向测力传感器。对传感器所受的力采用交叉分段，多级采集，柔性过度的方式，进行获取，进而实现全量程测量。
一种全量程轴向测力传感器,包括：钢制弹性体、形变信号采集电路、信号选择电路、橡胶缓冲圈、航空插头。所述钢制弹性体整体呈圆环形，中间为环空区，外围的圆环分为内环、外环、形变区以及形变孔。所述外环为传感器固定部件，可设置通孔，通过螺丝与固定台相固定。所述内环的上端面高于外环的上端面，用于固定及支撑穿过环空区的待测力的轴，内环的下端面同样也高于外环的下端面，从而形成内环受力，外环支撑的测力结构。所述形变区位于内环和外环之间，设置为一级形变环、二级形变环，且一级形变环的厚度大于二级形变环的厚度。所述形变孔的截面为矩形，设置在一级形变环与二级形变环之间。所述内环上设置有形变力过度圈，贯通环空区和形变孔。所述橡胶缓冲圈充填衬垫于形变力过度圈内，处于压缩状态。所述形变信号采集电路设置为两个，一个布置于一级应变环的上表面，另一个布置于二级应变环的下表面。所述形变信号采集电路为由应变片及导线组成的惠斯通电桥。所述信号选择电路位于外环的外壁面上的接线盒内，所述航空插头位于接线盒的外壁面上；所述航空插头与惠斯通电桥之间的信号线连接通过导线孔相连接。
优选的，内环的上端面与外环的上端面间的高差要大于一级形变环受到上限力时使内环的上端面下降的高度；同样的，内环的下端面与外环的下端面间的高差要于二级形变环受到上限力时使内环的下端面下降的高度。
本发明具有如下积极效果：
本项目在现有轴向测力传感器基础上，进行传感器弹性体结构重新优化设计，规避了采用新材料带来的技术及成本限制，提出一款宽量程的轴向测力传感器，可用于对大重量、高附加值物体的精确测量，具有很高的推广应用价值和经济效益。
采用多级采集，交叉分段的方式实现大量程力和小量程力的分别测量，保证了测量的准确数同时突破大量程传感器最低响应力值大的限制。
通过形变力过度圈和橡胶缓冲圈的设置，形成力的柔性过度，避免突变扰动对力测量的影响。
通过降低输出灵敏度的措施，保证了输出灵敏度一致以及避免应变片形变力过大导致的损坏，提高传感器的长期测量稳定性。
附图说明
图1为本发明一种全量程轴向测力传感器的结构示意图；
图2为本发明一种全量程轴向测力传感器的A-A截面剖视图；
图3为本发明一种全量程轴向测力传感器信号转换逻辑示意图；
图4为本发明的信号采集电路所采用的惠斯通电桥电路图。
图中附图标记含义如下：
1-钢制弹性体、11-内环、111-形变力过度圈、12-外环、13-形变区、131-一级形变环、132-二级形变环、14-形变孔、15-环空区、16-通孔、17-轴、2-形变信号采集电路、21-应变片、22-导线、3-信号选择电路、31-接线盒、4-橡胶缓冲圈、5-航空插头、6-惠斯通电桥、7-导线孔
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明进行进一步详细的说明。
如图1-2所示的一种全量程轴向测力传感器,包括：钢制弹性体1、形变信号采集电路2、信号选择电路3、橡胶缓冲圈4、航空插头5组成。所述钢制弹性体1整体呈圆环形，中间为环空区15，外围的圆环分为内环11、外环12、形变区13以及形变孔14。所述外环12为传感器固定部件，可设置通孔16，通过螺丝与固定台相固定。所述内环11的上端面高于外环12的上端面，用于固定及支撑穿过环空区15的待测力的轴17，内环11的下端面高于外环12的下端面，从而形成内环11受力，外环12支撑的测力结构。所述形变区13位于内环11和外环12之间，设置为一级形变环131、二级形变环132，且一级形变环131的厚度大于二级形变环132的厚度。所述形变孔14的截面为矩形，设置在一级形变环131与二级形变环132之间。所述内环11上设置有形变力过度圈111，贯通环空区15和形变孔14。所述橡胶缓冲圈4充填衬垫于形变力过度圈111内，处于压缩状态。所述形变信号采集电路3设置为两个，一个布置于一级应变环121的上表面，另一个布置于二级应变环132的下表面。所述形变信号采集电路2为由应变片21及导线22组成的惠斯通电桥6。所述信号选择电路3位于外环12的外壁面上的接线盒31内，所述航空插头5位于接线盒的外壁面上；所述航空插头5与惠斯通电桥6之间的信号线连接通过导线孔7相连接。
优选的，内环11的上端面与外环12的上端面间的高差要大于一级形变环131受到上限力时使内环11的上端面下降的高度；同样的，内环11的下端面与外环12的下端面间的高差要于二级形变环132受到上限力时使内环11的下端面下降的高度。
为进一步了解传感器测力过程，结合图1-4对本发明的工作过程进行阐述。
被测力的轴17通过卡扣与本发明的内环11上面相固定。外环12通过通孔16与固定台相固定。当轴17受力时内环11受力，产生形变，形变区13上的应变片受力，产生形变，导致惠斯通电桥6失衡，产生电压信号，然后进入到接线盒31内的信号选择电路3；对于整个测力过程中，当受力较小时，一级形变环131上的形变信号采集电路2产生电信号，产生的小量程电信号小于交叉节点电信号时，信号选择电路3输出小量程电信号，当受力较大时，二级形变环132上的形变信号采集电路2产生电信号，当产生的大量程电信号大于交叉节点电信号时，信号选择电路3输出大量程电信号，此处所指的交叉节点电信号设置为一级形变环131和二级形变环132所能承受的受力范围的交叉量程的中点电压信号位，当然可根据实际变形环测力敏感区域的不同，调整交叉节点电信号所指的电压信号值。
在传感器受力从小到大的过度过程中形变力过度圈111的高度会逐渐减小，进而压缩橡胶缓冲圈4受力，并柔性传递给二级形变环132进行受力，当过度完两者的力重叠区，即交叉量程后，信号选择电路3选择输出大量程电信号，实现量程间的过度，进而实现从小量程到大量程的全量程受力测量。
优选的，为保证输出灵敏度一致以及避免应变片21形变力过大导致的损坏，采用降低输出灵敏度的措施。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种全量程轴向测力传感器,其特征在于：包括钢制弹性体、形变信号采集电路、信号选择电路、橡胶缓冲圈、航空插头；所述钢制弹性体整体呈圆环形，中间为环空区，外围的圆环分为内环、外环、形变区以及形变孔；所述外环为传感器固定部件，可设置通孔，通过螺丝与固定台相固定；所述内环的上端面高于外环的上端面，用于固定及支撑穿过环空区的待测力的轴，内环的下端面高于外环的下端面；所述形变区位于内环和外环之间设置为一级形变环、二级形变环，且一级形变环的厚度大于二级形变环的厚度；所述形变孔的截面为矩形，设置在一级形变环与二级形变环之间；所述内环上设置有形变力过度圈，贯通环空区和形变孔；所述橡胶缓冲圈充填衬垫于形变力过度圈内；所述形变信号采集电路设置为两个，一个布置于一级应变环的上表面，另一个布置于二级应变环的下表面；所述形变信号采集电路为由应变片及导线组成的惠斯通电桥；所述信号选择电路位于外环的外壁面上的接线盒内；所述航空插头位于接线盒的外壁面上；所述航空插头与惠斯通电桥之间的信号线连接通过导线孔相连接。
2.如权利要求1所述的一种全量程轴向测力传感器，其特征在于，内环的上端面与外环的上端面间的高差要大于一级形变环受到上限力时使内环的上端面下降的高度；同样的，内环的下端面与外环的下端面间的高差要于二级形变环受到上限力时使内环的下端面下降的高度。
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