CN113227736A - 应力检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的应力检测装置，包括：第一检测部和第二检测部。第一检测部具有：第一磁致伸缩部件，其基于与外部载荷对应的拉伸应力或压缩应力而发生变形；以及第一卷绕部，其是用导电性材料制成的，卷绕于第一磁致伸缩部件。第二检测部具有：第二磁致伸缩部件，其具有与第一磁致伸缩部件的磁致伸缩常数不同的磁致伸缩常数，基于与外部载荷对应的拉伸应力或压缩应力而发生变形；以及第二卷绕部，其是用导电性材料制成的，卷绕于第二磁致伸缩部件。第一检测部和第二检测部，以电气方式分别对基于压缩应力或拉伸应力的磁导率的强度进行检测，并分别输出符号彼此相反的检测信号。

Description

应力检测装置
技术领域
本发明涉及一种应力检测装置。
背景技术
以往，电车上位于车顶的集电装置(Pantograph：集电弓)与电车线接触，从该电车线提供电能。为了使对电车的供电稳定，期望电车线的张力恒定。此外，电车线因温度或磨损会导致其张力发生变化，因此通过平衡器来对其张力进行调节，以使之达到恒定。电车线的张力通过应力检测装置来检测(例如，参见专利文献1)。专利文献1中，通过设置于磁致伸缩部的周围的线圈来检测磁导率的变化，并基于所检测到的磁导率来求取张力。
专利文献1：日本特开平11-208320号公报
发明内容
另外，为了提高张力测定的精度，期望一种能够对应力进行更高精度的检测的应力检测装置。
本发明是鉴于上述问题而作出的，旨在提供一种能够对应力进行高精度检测的应力检测装置。
为解决上述问题并达成目的，本发明涉及的应力检测装置，包括：第一检测部和第二检测部，所述第一检测部具有：第一磁致伸缩部件，其基于与外部载荷对应的拉伸应力或压缩应力而发生变形；以及第一卷绕部，其是用导电性材料制成的，卷绕于所述第一磁致伸缩部件，所述第二检测部具有：第二磁致伸缩部件，其具有与所述第一磁致伸缩部件的磁致伸缩常数不同的磁致伸缩常数，基于与外部载荷对应的拉伸应力或压缩应力而发生变形；以及第二卷绕部，其是用导电性材料制成的，卷绕于所述第二磁致伸缩部件，其中，所述第一检测部和所述第二检测部，以电气方式分别对基于压缩应力或拉伸应力的磁导率的强度进行检测，并分别输出符号彼此相反的检测信号。
此外，本发明涉及的应力检测装置，在上述的发明中，所述第一检测部与第二检测部串联连接。
此外，本发明涉及的应力检测装置，在上述的发明中，所述第一检测部以电气方式对基于压缩应力的磁导率的强度进行检测，所述第二检测部以电气方式对基于拉伸应力的磁导率的强度进行检测。
此外，本发明涉及的应力检测装置，在上述的发明中，所述第一磁致伸缩部件的磁致伸缩常数与所述第二磁致伸缩部件的磁致伸缩常数，彼此符号不同。
此外，本发明涉及的应力检测装置，在上述的发明中，还包括：
信号处理部，其对由所述第一检测部和所述第二检测部分别输出的所述检测信号，进行差分放大。
根据本发明，具有能够对应力进行高精度检测的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式涉及的应力检测装置的概略结构的立体图。
图2是图1所示应力检测装置的剖面图。
图3是用于对图1所示应力检测装置中的应力动线进行说明的图。
图4是图1所示应力检测装置的电路图。
图5A是表示磁致伸缩常数为负的部件上作用有拉伸应力时的内部磁化方向的图。
图5B是表示磁致伸缩常数为负的部件上作用有压缩应力时的内部磁化方向的图。
图6A是表示磁致伸缩常数为正的部件上作用有拉伸应力时的内部磁化方向的图。
图6B是表示磁致伸缩常数为正的部件上作用有压缩应力时的内部磁化方向的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。另外，以下的实施方式并不构成对本发明的限定。此外，以下说明参照的各图仅仅是以能够理解本发明的内容的程度概要性示出形状、大小以及位置关系。也即是说，本发明并非仅限于各图例示的形状、大小以及位置关系。
图1是表示本发明的一实施方式涉及的应力检测装置的概略结构的立体图。图2是图1所示应力检测装置的剖面图。图2是以平行于图1所示应力检测装置1的中心轴N且经过该中心轴N的平面为截断面而得到的剖面图。以下，图1、2中，将中心轴N方向上的左侧设为一端而右侧设为另一端来进行说明。
应力检测装置1包括：第一部件2，在检测应力时，其一端被固定；第二部件3，其沿着中心轴N与第一部件2排列设置，在检测应力时，其另一端与测量对象连接；第一磁致伸缩部件4，其为筒状，供第一部件2及第二部件3的一部分插通；第二磁致伸缩部件5，其为筒状，供第二部件3插通；以及线圈6，其卷绕于第一磁致伸缩部件4及第二磁致伸缩部件5的外周。此外，应力检测装置1上，连接着用于对线圈6提供电源的电源部30、以及与线圈6电连接的信号处理部40。信号处理部40通过对从线圈6获取到的检测信号进行处理，来计算基于内部磁化的磁导率的强度或变化，并输出计算结果。
第一部件2例如是用金属材料制成的。第一部件2具有：主体部21，其在中心轴N方向上延伸；以及固定部22，其与主体部21的一端相连，在使用时(检测应力时)被固定。在主体部21的固定部22侧的端部，形成有与第一磁致伸缩部件4螺合的凸缘部211。在固定部22，形成有与固定对象卡止的孔部22a。
第二部件3例如是用金属材料制成的。第二部件3具有：第一主体部31，其在中心轴N方向上延伸；第二主体部32，其设置于第一主体部31的外周；夹持部33，由其与第一主体部31夹持第二磁致伸缩部件5；以及固定部34，其与第一主体部31的另一端相连，在使用时其与检测对象连接。在固定部34，形成有与检测对象卡止的孔部34a。
在第一主体部31的一端侧的端部，形成有与第二磁致伸缩部件5抵接的第一凸缘部311。
第二主体部32设有：筒状部321，其呈筒状延伸；以及第二凸缘部322，其设于筒状部321的一端侧的端部，向该筒状部321的外周侧突出而与第一磁致伸缩部件4抵接。
此外，第二主体部32上形成有：第一贯穿孔323，其在中心轴N方向上贯穿；以及第二贯穿孔324，其在与中心轴N正交的方向上贯穿。
第一主体部31插通第一贯穿孔323。另外，虽然图2中第一部件2的一部分被插入第一贯穿孔323中，但也可以是第一部件2的一部分不插入第一贯穿孔323中的结构。从第一部件2及第二部件3在中心轴N方向上延伸的观点来看，优选地，第一部件2的一部分插入第一贯穿孔323中。
第一凸缘部311经由第二贯穿孔324而向第二主体部32的外部延伸。
夹持部33呈中空圆柱状。在夹持部33的内周面，设有与筒状部321的螺合部321a螺合的螺合部331。夹持部33将第二磁致伸缩部件5夹持在其与第一凸缘部311之间。
第一磁致伸缩部件4是用磁致伸缩材料制成的。第一磁致伸缩部件4具有：第一缩径部41，其设于另一端侧，向内周侧突出；以及螺合部42，其设于一端侧，与主体部21的螺合部211a螺合。
第二磁致伸缩部件5是用具有与第一磁致伸缩部件4的磁致伸缩常数不同的磁致伸缩常数的磁致伸缩材料而制成的。第二磁致伸缩部件5具有：第二缩径部51，其设于一端侧，向内周侧突出；以及第三缩径部52，其设于另一端侧，向内周侧突出。
第一磁致伸缩部件4及第二磁致伸缩部件5例如也可以用软磁性材料制成，只要具有磁致伸缩特性即可。
线圈6是用导电性材料制成的。线圈6具有：第一卷绕部6a，其设于一端侧，卷绕于第一磁致伸缩部件4；以及第二卷绕部6b，其设于另一端侧，卷绕于第二磁致伸缩部件5。
线圈6上从电源部30提供有电源。
此外，线圈6与信号处理部40电连接，将检测到磁致伸缩部件的内部磁化的变化(这里为磁导率的强度)的检测信号，输出至信号处理部40。
应力检测装置1在使用时(检测应力时)，由第一部件2、第二凸缘部322、第一磁致伸缩部件4及第一卷绕部6a，构成用于检测基于拉伸应力的磁导率的强度的拉伸应力检测部10，且由除第二凸缘部322外的第二部件3、第二磁致伸缩部件5及第二卷绕部6b，构成用于检测基于压缩应力的磁导率的强度的压缩应力检测部20。拉伸应力检测部10及压缩应力检测部20构成以电气方式对用于检测应力的磁导率的强度进行检测的检测部100。
此外，应力检测装置1在使用时，固定部22固定于电车的平衡器(未图示)，固定部34与电车线(未图示)连接。
图3是用于对图1所示应力检测装置中的应力动线进行说明的图。对应力检测装置1，在固定部34施加有拉伸载荷F(参见图2)时，由于该载荷而第一主体部31被拉伸。
此时，第一凸缘部311对第二磁致伸缩部件5的第二缩径部51，施加朝另一端侧的载荷Y1。此时，由于施加于第二缩径部51的载荷(载荷Y1)，第三缩径部52对夹持部33施加朝另一端侧的载荷Y2。
夹持部33上一施加有载荷(载荷Y2)，筒状部321就朝另一端侧被拉伸，第二凸缘部322也朝另一端侧被拉伸。此时，第二凸缘部322对第一缩径部41施加朝另一端侧的载荷Y3。
在施加有因拉伸而产生的载荷时，相对载荷Y1，来自第二缩径部51的反作用力Y11作用。同样地，相对载荷Y2，来自夹持部33的反作用力Y21作用，相对载荷Y3，来自第一缩径部41的反作用力Y31作用。
这样，对于应力检测装置1中基于上述的载荷而应力作用的动线，能够用一条动线Y10来表现。
在线圈6在进行励磁的状态下，若固定部34被拉伸而应力检测装置1上施加有上述的载荷，则第一磁致伸缩部件4中产生拉伸应力，第二磁致伸缩部件5中产生压缩应力。一旦产生这些拉伸应力及压缩应力，第一磁致伸缩部件4及第二磁致伸缩部件5中，由于逆磁致伸缩效应，内部磁化的强度就会发生变化。应力检测装置1就是对基于拉伸应力和/或压缩应力的内部磁化的强度进行检测。本实施方式中，从拉伸应力检测部10和压缩应力检测部20输出的检测信号彼此符号相反。虽然这些检测信号在传输路径上有时会叠加有噪音信号，但这些噪音信号在来自拉伸应力检测部10的检测信号和来自压缩应力检测部20的检测信号中，为彼此相同的符号。这里所说的符号是指检测值的正负。
图4是图1所示应力检测装置的电路图。本实施方式中，第一卷绕部6a与第二卷绕部6b串联连接。根据第一卷绕部6a与第二卷绕部6b的连接方式、以及如上所述的应力作用的动线(动线Y10)，可以认为拉伸应力检测部10与压缩应力检测部20串联连接。
通过将拉伸应力检测部10与压缩应力检测部20串联连接，能够使作用于各检测部(磁致伸缩部件)上的应力均等。
此外，第一卷绕部6a的与第二卷绕部6b连接的一侧的相反侧的端部、以及第二卷绕部6b的与第一卷绕部6a连接的一侧的相反侧的端部，分别与电源部30连接，并且与参考电阻R1、R2分别连接。
信号处理部40是至少用差分放大器构成的。本实施方式中，信号处理部40被输入包含符号彼此相反的检测信号和符号相同的噪音信号的信号，并对所输入的信号进行差分放大处理。由于被输入符号(正负)彼此相反的检测信号和符号相同的噪音信号，所以能够消除(衰减)传输路径上所叠加的噪音信号，并且放大应当用于测定的检测信号。
在信号处理部40或外部的运算装置，利用基于差分放大后的信号而获得的磁导率的变化(变化量或变化率)，来测定电车线的张力。根据所测定的张力，对电车线的张力进行监视，并将其维持在适当的张力。
接下来，参照图5A、5B、6A、6B，对磁致伸缩部件中内部磁化的变化进行说明。图5A是磁致伸缩常数为负的部件上作用有拉伸应力时的内部磁化方向的图。图5B是磁致伸缩常数为负的部件上作用有压缩应力时的内部磁化方向的图。
磁致伸缩常数为负的部件200中，若产生拉伸应力，则内部磁化方向为与拉伸应力垂直的方向(参见图5A)。而若部件200中产生压缩应力，则内部磁化方向为与压缩应力平行的方向(参见图5B)。作为磁致伸缩常数为负的部件200，例如有镍。
图6A是表示磁致伸缩常数为正的部件上作用有拉伸应力时的内部磁化方向的图。图6B是表示磁致伸缩常数为正的部件上作用有压缩应力时的内部磁化方向的图。
磁致伸缩常数为正的部件201中，若产生拉伸应力，则内部磁化方向为与拉伸应力平行的方向(参见图6A)。而若部件201中产生压缩应力，则内部磁化方向为与压缩应力垂直的方向(参见图6B)。作为磁致伸缩常数为正的部件201，例如有铁。
作为用于上述的第一磁致伸缩部件4及第二磁致伸缩部件5的材料，优选矫顽磁力小的材料。例如，对拉伸应力及压缩应力的矫顽磁力根据磁致伸缩常数的正负而发生变化时，优选对相对各应力而矫顽磁力减小的材料进行组合。例如，作为磁致伸缩常数的组合，可以将施加有拉伸应力的一侧设为负的磁致伸缩常数，施加有压缩应力的一侧设为正的磁致伸缩常数，来作为磁致伸缩常数的符号彼此不同的设定。
上述的实施方式中，应力检测装置1采用下述结构：设置用于对基于拉伸应力的磁导率的变化进行检测的拉伸应力检测部10、以及用于对基于压缩应力的磁导率的变化进行检测的压缩应力检测部20，并通过信号处理部40的差分放大处理来输出磁导率的变化。本实施方式能够去除噪音信号，并且对于基于拉伸应力及压缩应力的磁导率的变化，能够获取增益增大后的信号。根据本实施方式，能够对应力进行高精度检测。
此外，根据上述的实施方式，通过用金属材料来形成第一部件2、第二部件3、第一磁致伸缩部件4及第二磁致伸缩部件5，例如与现有的载荷传感器(load cell)相比，能够提高应力检测装置1的耐久性。
此外，根据上述的实施方式，由于应力检测装置1为通过金属加工制成的简单结构，所以制造上无需特殊加工。因此，与具有同等性能的装置相比，能够以低成本进行制造。
另外，在上述的实施方式中，虽然是对具有用于对彼此不同的应力进行检测的两个检测部、即用于检测压缩应力的检测部及用于检测拉伸应力的检测部的结构进行说明的，但检测部的结构并非仅限于此。例如，也可以采用两个检测部均检测拉伸应力的结构，还可以采用两个检测部均检测压缩应力的结构。此外，检测部的数量不限于两个，也可以采用具有三个以上的结构。在采用具有三个以上的检测部的结构时，各检测部所检测的应力可以设定为压缩应力和拉伸应力其中任一。此时，各检测部的磁致伸缩部件所具有的磁致伸缩常数，彼此不同。
此外，在上述的实施方式中，虽然是以压缩应力检测部与拉伸应力检测部串联连接为例进行说明的，但也可以采用压缩应力检测部与拉伸应力检测部并联连接的结构。
此外，在上述的实施方式中，虽然是以对压缩应力检测部的检测结果(信号)与拉伸应力检测部的检测结果(信号)进行差分放大处理为例进行说明的，但也可以采用将任何一方的检测结果用作输出对象的结构。在采用其中一方的检测结果时，信号处理部40由不同于放大器的运算电路构成，例如采用噪音信号电平较小的一方的检测结果来输出。
这样，本发明可以包含这里未记载的各种实施方式等，在不脱离权利要求书所限定的技术构思的范围内，可以进行各种设计变更等。上述的实施方式中是以检测(测定)电车线的张力为例进行说明的，但也可以将应力检测装置1应用于其他的需要测定线材的张力的测定对象。
如以上已作说明的，本发明涉及的应力检测装置适合于对应力进行高精度检测。
符号说明
1应力检测装置
2第一部件
3第二部件
4第一磁致伸缩部件
5第二磁致伸缩部件
6线圈
6a第一卷绕部
6b第二卷绕部
21主体部
22、34固定部
30电源部
31第一主体部
32第二主体部
33夹持部
40信号处理部

Claims (5)

1.一种应力检测装置，其特征在于，包括：第一检测部和第二检测部，
所述第一检测部具有：
第一磁致伸缩部件，其基于与外部载荷对应的拉伸应力或压缩应力而发生变形；以及
第一卷绕部，其是用导电性材料制成的，卷绕于所述第一磁致伸缩部件，
所述第二检测部具有：
第二磁致伸缩部件，其具有与所述第一磁致伸缩部件的磁致伸缩常数不同的磁致伸缩常数，基于与外部载荷对应的拉伸应力或压缩应力而发生变形；以及
第二卷绕部，其是用导电性材料制成的，卷绕于所述第二磁致伸缩部件，
其中，所述第一检测部和所述第二检测部，以电气方式分别对基于压缩应力或拉伸应力的磁导率的强度进行检测，并分别输出符号彼此相反的检测信号。
2.根据权利要求1所述的应力检测装置，其中，
所述第一检测部与所述第二检测部串联连接。
3.根据权利要求1或2所述的应力检测装置，其中，
所述第一检测部以电气方式对基于压缩应力的磁导率的强度进行检测，
所述第二检测部以电气方式对基于拉伸应力的磁导率的强度进行检测。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的应力检测装置，其中，
所述第一磁致伸缩部件的磁致伸缩常数与所述第二磁致伸缩部件的磁致伸缩常数，彼此符号不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的应力检测装置，其中，还包括：
信号处理部，其对由所述第一检测部和所述第二检测部分别输出的所述检测信号，进行差分放大。
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