CN113418646A - 一种销轴式径向力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于机械装备上的销轴式径向力传感器，用于测量机械装备旋转关节处的径向力的大小和作用方向；本发明包括销轴，销轴上粘贴的8只应变片，以及由应变片连接而成的两组电桥测量电路；其特征是：销轴上开有2个凹槽，每个凹槽上间隔90度均匀敷设粘贴有4只应变片，应变片与销轴线平行或±45度角，每4只应变片按一定顺序连接成电桥电路，两组电桥电路用于测量X、Y两个方向的径向力，按力合成原理即可测得关节处径向力的大小和方向；传感器一端设有轴向和周向限位结构使测量中销轴无轴向串动和周向转动，提高了灵敏度和测量精度。
Description
技术领域
本发明涉一种力传感器，具体涉及一种销轴式径向力传感器。
背景技术
径向力测量在工业和农业机械装备、试验检测等领域有广泛需求。由于结构和空间尺寸的限制，通用的拉压力、剪切力或弯曲力传感器由于尺寸和结构的原因，难以用于径向力测量。目前国内外多采用销轴式力传感器进行径向力测量。现有销轴式径向力传感器产品都为单向式径向力传感器，例如用于吊钩、滑轮的销轴式径向力传感器，安装使用时需要明确知道径向力的作用方向，以便确定传感器的安装方向，对于无法预知和方向不确定的径向力，此种单向径向力传感器便不能满足需求。因此有必要开发一种新型径向力传感器满足生产和试验检测需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种销轴式双向径向力传感器解决方案，在结构、布片和组桥上改进和提高，可分别检测X,Y两个方向的径向分力，并根据力合成原理即可准确的测量方向未知的径向力的大小和方向。
本发明技术方案如下：传感器由销轴，销轴上粘贴的应变片，以及由应变片连接而成的两组电桥测量电路构成，两组电桥的应变片分别感受X方向和Y方向的径向分力在销轴上产生的变形，输出相应的电压值，依据力合成原理即可测得径向合力以及合力的方向角。
在所述的销轴靠近两端处各开有1个周向凹槽，在每个凹槽上按90度均匀分布贴有4只应变片，两两相对布置，分别感知X方向和Y方向的径向分力，两个凹槽内共贴有8只应变片，凹槽上粘贴的8个应变片的纵轴线与销轴轴线平行或成±45度角。
所述的8只单轴应变片分成2组，感测X方向径向力的4只应变片为一组，感测Y方向径向力的4只应变片为另一组，两组应变片分别有序连接成2个全桥测量电路，分别测量X方向和Y方向的径向分力，两组电桥的输出按力合成原理即可以测得销轴所受径向合力的大小和方向角。
附图说明
图1一种径向力测力销轴结构和应变片布置图，径向引线通孔；
图2一种测力销轴左右凹槽截面和应变片布置图；
图3一种应变片连接成电桥测量电路图，指示了应变片的连接顺序；
图4另一种径向力测力销轴结构和应变片布置图；
图5另一种应变片连接成电桥的测量电路图，指示了应变片的连接顺序；
图1～图5中标识：1-销轴，101-销轴头，102-定位缺口，103-锁定销孔，104-螺纹，110、112-左凹槽，111、113-右凹槽，120-径向引线通孔，130-轴向引线槽，140-穿线孔，R1～R4-左凹槽上应变片，R5～R8-右凹槽上应变片，801和804-Y方向径向分力的全桥测量电路，802和803-X方向径向分力的全桥测量电路。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施方案和说明
本发明的销轴式径向力传感器，包括销轴(1)，销轴上粘贴的8只应变片(R1～R8)，以及由应变片连接而成的两组电桥测量电路(801和802)；
如图1、图2和图4销轴(1)可为实心或空心圆销轴，其一端设置有销轴头(101)，用于限制销轴的轴向串动；销轴头可与销轴一体，也可与销轴分体，通过螺纹和卡簧与销轴连接，图1示例为销轴头与销轴一体。在销轴头外缘上间隔180度对称开有2个定位缺口(102)，对应的可在销轴座套上间隔180度设置2个凸台或螺孔，安装时销轴头外缘上的定位缺口(102)卡到销轴套上对应的凸台上，以限制销轴的周向转动，或用螺栓固定到销轴座套上进一步限制销轴的轴向串动；在销轴的另一端设有螺纹(104)和锁定销孔(103)，如图1示例，可通过锁紧螺母便捷调节销轴轴向间隙或施加轴向预紧力，锁定销孔(103)进一步将螺母锁定，防止螺母松脱；另一可选方案如图4所示仅在销轴的另一端设置锁定销孔(103)，这将用于不需调节轴向间隙和施加轴向预紧力的场合。
如图1所示，在靠近销轴的两端处沿周向开有左凹槽(110)和右凹槽(111)，凹槽断面呈弧形，这样可有利于降低凹槽处的应力集中减少测量误差凹槽；两个凹槽断面也可以为便于加工的矩形如图4中左凹槽(112)和右凹槽(113)。
如图1和图2所示，在每个凹槽圆周面上间隔90度开有2个径向引线通孔(120)，两个凹槽面上共开有4个径向引线通孔，通孔轴线与销轴头外缘上的2个缺口左右错开45度角，2个径向引线通孔成十字交叉，4个径向引线通孔与销轴中心孔联通，以便在凹槽上敷设的应变片组成的测量电桥的引线穿入销轴中心孔中，并从销轴头(101)汇出销轴(1)；另一种优选方案如图4所示，是在销轴圆周面间隔90度沿轴向开4条轴向引线槽(130)，对应在销轴头端面开4个穿线孔(140)，用于把测量电桥的引线引出，轴向引线槽(130)的圆周角位置与径向引线孔相同；
在销轴每个凹槽面上敷设粘贴4只单轴应变片，如图1和图2所示，2个凹槽共敷设粘贴8只，其中R1～R4粘贴于左凹槽(110)上，R5～R8粘贴于右凹槽(111)上，每个凹槽面上的4个应变片在圆周面上间隔90度均匀分布，两两对称于销轴中轴线，其中R1和R3，R5和R7上下对称，R2和R4，R6和R8左右(或前后)对称，且R1和R3以及R5和R7与销轴头外缘上的2个缺口的圆周方向位置对应，优选的布片方案是在凹槽上粘贴的8个应变片的纵轴线均与销轴轴线平行，以获得较大的灵敏度。
如图3所示，8只单轴应变片分成2组，每4只一组，有序连接成2个全桥测量电路，其中左凹槽上的R1、R3和右凹槽的R5、R7四只应变片按R1-R3-R5-R7的顺序连接组成Y方向径向分力的全桥测量电路(801)，左凹槽的R2、R4和右凹槽的R6、R8四只应变片按R2-R4-R6-R8的顺序连接组成X方向径向分力的全桥测量电路(802)，X,Y两组电桥的输出按力合成原理可以得到销轴所受径向合力的大小和方向角。
另一优选的布片方案如图4所示，8只应变片的纵轴线与销轴轴线成±45度角，即R1-R2、R2-R3、R3-R4、R4-R1间互成90度布片同样，R5、R6、R7、R8也按顺序互成90度布片，如此布片可以降低销轴径向力作用点变化引起的误差；针对这种布片方式的接桥方式如图5所示，8只单轴应变片分成2组，每4只一组，有序连接成2个全桥测量电路，其中左凹槽上的R1、R3和右凹槽的R5、R7四只应变片按R1-R3-R7-R5的顺序连接组成X方向径向分力的全桥测量电路(803)，左凹槽的R2、R4和右凹槽的R6、R8四只应变片按R2-R4-R8-R6的顺序连接组成Y方向径向分力的全桥测量电路(804)，X,Y两组电桥的输出按力合成原理可以得到销轴所受径向合力的大小和方向角。
Claims (4)
1.一种销轴式径向力传感器，包括销轴(1)，销轴上粘贴的8只应变片(R1～R8)，以及由应变片连接而成的两组电桥测量电路(801和802)；其特征在于：
所述的销轴(1)的一端设置有销轴头(101)，用于限制销轴的轴向串动，在销轴头外缘上间隔180度对称开有2个定位缺口(102)，对应的在销轴座套上间隔180度设置有2个凸台或螺孔，安装时销轴头外缘上的定位缺口(102)卡到销轴套上对应的凸台上或用螺栓固定到销轴座套上，以限制销轴的周向转动和轴向串动，销轴的另一端有螺纹和轴向限位销孔(103)，可调节销轴轴向间隙或施加预紧力；
在靠近销轴(1)的两端处，沿圆周面开有左凹槽(110或112)和右凹槽(111或113)，所述的凹槽断面呈弧形，以降低应力集中与测量误差，或断面呈矩形，以便于加工和贴片；
在销轴(1)的每个凹槽面上各开有2个呈十字交叉的径向引线通孔(120)，两个凹槽上共有4个径向引线通孔，径向引线通孔与销轴头外缘上的2个定位缺口左右间隔45度角，销轴为空心圆筒，4个径向引线通孔与销轴中心孔联通，以便应变片组成的测量电桥的引线穿入销轴中心孔中，并从销轴头端(101)汇出销轴(1)。
2.根据权利要求1所述的一种销轴式径向力传感器，其特征是：所述的8只应变片为单轴应变片，每个凹槽内敷设粘贴4只，2个凹槽共粘贴8只，其中R1～R4粘贴于左凹槽(110或112)上，R5～R8粘贴于右凹槽(111或113)上，每个凹槽上的4个应变片在圆周上间隔90度均匀分布，两两对称于销轴中轴线，其中R1和R3，R5和R7上下对称，R2和R4，R6和R8左右(或前后)对称，且R1和R3以及R5和R7与销轴头外缘上的2个缺口的圆周角位置对应，凹槽上粘贴的8个应变片的纵轴线均与销轴轴线平行。
3.根据权利要求1和2所述的一种销轴式径向力传感器，其特征是：所述的8只应变片为单轴应变片，8只单轴应变片分成2组，每4只一组，有序连接成2个全桥测量电路，其中左凹槽上的R1、R3和右凹槽的R5、R7四只应变片按R1-R3-R5-R7的顺序连接组成Y方向径向分力的全桥测量电路(801)，左凹槽的R2、R4和右凹槽的R6、R8四只应变片按R2-R4-R6-R8的顺序连接组成X方向径向分力的全桥测量电路(802)，X,Y两组电桥的输出按力合成原理可以得到销轴所受径向合力的大小和方向角。
4.根据权利要求1和2所述的一种销轴式径向力传感器，其特征还可是：所述的8只应变片为单轴应变片，单轴应变片的纵轴线与销轴轴线成±45度角排布；对应的，8只单轴应变片分成2组，每4只一组，有序连接成2个全桥测量电路，其中左凹槽上的R1、R3和右凹槽的R5、R7四只应变片按R1-R3-R7-R5的顺序连接组成X方向径向分力的全桥测量电路(803)，左凹槽的R2、R4和右凹槽的R6、R8四只应变片按R2-R4-R8-R6的顺序连接组成Y方向径向分力的全桥测量电路(804)，X,Y两组电桥的输出按力合成原理可以得到销轴所受径向合力的大小和方向角。
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