CN115164948A - 一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置 - Google Patents

一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置 Download PDF

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CN115164948A CN202210829217.8A CN202210829217A CN115164948A CN 115164948 A CN115164948 A CN 115164948A CN 202210829217 A CN202210829217 A CN 202210829217A CN 115164948 A CN115164948 A CN 115164948A
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蔡建进
陈水宣
舒霞云
詹锦波
周胜刚
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    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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Abstract

本发明提供了一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置,包括：基座、多个弹性体、受力件、调节机构、以及多个应变片；其中，每一弹性体包括连接杆、以及套设在连接杆中间部的变形件，每一应变片配置在对应的变形件上；连接杆的第一端可拆卸地配置在基座上，连接杆的第二端与调节机可拆卸连接，受力件的第一端与调节机构抵接，受力件的第二端用于与待测物体接触，其中，调节机构能够调节多个弹性体的起始形变值；多个应变片用于与静态应变仪电气连接，以使得多个应变片将感知到的变形件的形变量在静态应变仪上显示，解决了现有的电阻应变式荷重传感器由于初始应力的影响，测量结果存在误差的问题。

Description

一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置
技术领域
本发明涉及测量领域，特别涉及一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置。
背景技术
电阻应变式荷重传感器是一种在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形，电阻应变片引变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成了将外力变换为电信号的过程，然而，弹性件的初始应力是非线性，其测量出来的结果受到初始应力的影响，会存在误差。
有鉴于此，提出本申请。
发明内容
本发明公开了一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置，旨在解决现有的电阻应变式荷重传感器由于初始应力的影响，测量结果存在误差的问题。
本发明第一实施例提供了一种新型电阻应变式荷重传感器，包括：基座、多个弹性体、受力件、调节机构、以及多个应变片；
其中，每一所述弹性体包括连接杆、以及套设在所述连接杆中间部的变形件，每一所述应变片配置在对应的变形件上；
所述连接杆的第一端可拆卸地配置在所述基座上，所述连接杆的第二端与所述调节机可拆卸连接，所述受力件的第一端与所述调节机构抵接，所述受力件的第二端用于与待测物体接触，其中，所述调节机构能够调节多个所述弹性体的起始形变值；
多个所述应变片用于与静态应变仪电气连接，以使得多个所述应变片将感知到的所述变形件的形变量在所述静态应变仪上显示。
优选地，所述调节结构包括支撑板、多个调节件；
其中，每一所述连接杆的第二端贯穿所述支撑板，每一所述调节件对应配置在所述连接杆的第二端上，所述支撑板的第一表面与所述变形件接触，所述支撑板的第二表面与所述受力件接触；
所述调节件配置为在所述连接杆上转动，以调节所述变形件的起始形变值。
优选地，还包括：壳体、以及与所述壳体可拆卸连接的盖体；
所述基座配置在所述壳体的内部，所述受力件的贯穿所述盖体的顶部。
优选地，所述受力件包括：第一柱体、与所述第一柱体连接的第二柱体、与所述第二柱体连接的第三柱体、与所述第三柱体连接的第四柱体；
其中，所述第二柱体的直径大于所述第一柱体的直径，所述第三柱体的直径大于所述第四柱体的直径；
所述第一柱体贯穿所述盖体的顶部，所述第二柱体的上表面用于与所述盖体的顶部内表面抵接，所述第三柱体的下表面用于与所述支撑板，所述第四柱体贯穿所述支撑板。
优选地，所述壳体的侧部设置有接口；
其中，所述接口用于连接所述应变片和静态应变仪。
优选地，所述连接杆和所述变形件的材质为45#钢。
本发明第二实施例提供了一种测量装置，包括：静态应变仪以及如上任意一项所述的一种新型电阻应变式荷重传感器，所述静态应变仪与多个所述应变片电气连接。
基于本发明提供的一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置，通过所述调节机构对多个弹性体的起始形变值进行调整，使得应力与应变的关系为线性化，通过受力件的第二端与待测物体接触，受力件的第一端通过所述调节机构与所述弹性体接触，所述应变片能够感知弹性体发生的形变量并在所述静态应变仪上显示，解决现有的电阻应变式荷重传感器由于初始应力的影响，测量结果存在误差的问题。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种新型电阻应变式荷重传感器的展开结构示意图；
图2是本发明提供的一种新型电阻应变式荷重传感器的截面示意图；
图3是本发明提供的弹性体和调节机构安装在基座的示意图；
图4是本发明提供的弹性体和调节机构安装在基座的截面图；
图5是本发明提供的弹性体结构示意图；
图6是本发明提供的45#钢应力-应变曲线示意图；
图7是本发明提供的半桥电路示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明公开了一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置，旨在解决现有的电阻应变式荷重传感器由于初始应力的影响，测量结果存在误差的问题。
请参阅图1至图5，本发明第一实施例提供了一种新型电阻应变式荷重传感器，包括：基座3、多个弹性体2、受力件9、调节机构1、以及多个应变片4；
其中，每一所述弹性体2包括连接杆21、以及套设在所述连接杆21中间部的变形件22，每一所述应变片4配置在对应的变形件22上；
所述连接杆21的第一端可拆卸地配置在所述基座3上，所述连接杆21的第二端与所述调节机可拆卸连接，所述受力件9的第一端与所述调节机构1抵接，所述受力件9的第二端用于与待测物体接触，其中，所述调节机构1能够调节多个所述弹性体2的起始形变值；
多个所述应变片4用于与静态应变仪电气连接，以使得多个所述应变片4将感知到的所述变形件22的形变量在所述静态应变仪上显示。
需要说明的是，发明人发现电阻应变式荷重传感器在在外力作用下会产生弹性变形，然而弹性件的初始应力是非线性，其测量出来的结果受到初始应力的影响，会存在误差。
在本实施例中，通过所述调节机构1对多个弹性体2的起始形变值进行调整，使得应力与应变的关系为线性化，通过受力件9的第二端与待测物体接触，受力件9的第一端通过所述调节机构1与所述弹性体2接触，所述应变片4能够感知弹性体2发生的形变量并在所述静态应变仪上显示，解决现有的电阻应变式荷重传感器由于初始应力的影响，测量结果存在误差的问题
在本发明一个可能的实施例中，所述调节结构包括支撑板12、多个调节件11；
其中，每一所述连接杆21的第二端贯穿所述支撑板12，每一所述调节件11对应配置在所述连接杆21的第二端上，所述支撑板12的第一表面与所述变形件22接触，所述支撑板12的第二表面与所述受力件9接触；
所述调节件11配置为在所述连接杆21上转动，以调节所述变形件22的起始形变值。
需要说明的是，所述连接杆21的第一端可以配置有外螺纹，所述基座3上配置有与所述外螺纹适配的内螺纹，使得所述连接杆21能够可拆卸地配置在所述基座3上，在其他实施例中，所述连接杆21和所述基座3还可以采用其他的方式进行固定，这里不做具体限定。
本实施例中，所述调节件11可以是螺母，所述连接杆21的第二端可以配置有外螺纹，所述螺母可以与所述外螺纹进行适配，可以通过锁紧向所述支撑板12的第二表面停供一个向下的力，进而使得所述支撑板12的第一表面向所述变形件22提供一个向下的力，改变所述变形件22的起始形变量，需要说明的是，所述受力件9在接收到为外部的力时，通过所述支撑板12传递给所述变形件22，应变片4的形变量可以被静态应变仪感知并显示，其中，在受力件9接收到力时，此时其应力-应变曲线是呈线性变化的，其可以提高测量的精准度。
在本发明一个可能的实施例中，还包括：壳体6、以及与所述壳体6可拆卸连接的盖体5；
所述基座3配置在所述壳体6的内部，所述受力件9的贯穿所述盖体5的顶部。
需要说明的是，所述壳体6能够固定在所述基座3上，所述壳体6和所述盖体5可以通过内螺纹和外螺纹进行配合，实现可拆卸地连接，其能够起到保护所述弹性体2的作用，避免所述弹性体2收到破坏。
在本发明一个可能的实施例中，所述壳体6的侧部设置有接口7；
其中，所述接口7用于连接所述应变片4和静态应变仪。
需要说明的是，所述静态应变仪可以包括电压源，所述电压源可以与通过所述接口7与所述应变片4电气连接，其中，所述静态应变仪还可以通过所述接口7感知所述应变片4受到的形变带来的电压变化，就进而测量出待测物体的重力。
在本发明一个可能的实施例中，所述受力件9包括：第一柱体、与所述第一柱体连接的第二柱体、与所述第二柱体连接的第三柱体、与所述第三柱体连接的第四柱体；
其中，所述第二柱体的直径大于所述第一柱体的直径，所述第三柱体的直径大于所述第四柱体的直径；
所述第一柱体贯穿所述盖体5的顶部，所述第二柱体的上表面用于与所述盖体5的顶部内表面抵接，所述第三柱体的下表面用于与所述支撑板12，所述第四柱体贯穿所述支撑板12。
需要说明的是，所述第一柱体的顶部呈半球状，呈半球状的顶部用于与待测物体进行接触，其能通过所述第三柱体的下表面将受到的力传输给所述支撑板12，支撑板12再将力反馈给所述应变片4，使得所述应变片4产生形变。
在本发明一个可能的实施例中，所述第二柱体的上表面用于与所述盖体5的顶部内表面之间，可以配置一个垫圈8，例如橡胶垫圈，其能够避免有杂质从进入盖体5的开口进入壳体6，进而影响电阻应变式荷重传感器的使用寿命。
在本发明一个可能的实施例中，所述连接杆21和所述变形件22的材质可以为45#钢。
需要说明的是，在其他实施例中，所述连接杆21和所述变形件22还可以采用其他材质，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范围内。
以下对本发明的方案进行一步简述：
45#钢的应力-应变曲线上有一阶段称为线性弹性区，在这一区段内应力与应变成正比关系，该荷重传感器便是利用这一线性特性来实现重物的测量。45#钢在常温状态下的应力-应变曲线如图6所示。
45#钢的弹性极限为420Mpa，弹性极限为线性阶段所能承受的最大应力，如果施加的应力大于弹性极限，则会发生部分材料永久变形，卸载后材料不会完全恢复原状，取安全系数为1.5，所以其所允许的最大应力为
Figure BDA0003747494920000081
在该结构中外面钢材单根结构的面积A1为：
A1＝π(R2-r2)＝π×(152-13.52)＝134mm2
在20Mpa～450Mpa之间，应力与应变的关系为线性化，但是因为安全系数许可应力控制在280Mpa以下，所以线性范围应控制在20Mpa～280Mpa之间。需要说明的是，接触面积是所述变形件22和所述支撑板12的接触面积。
在双钢结构工作过程中，外面的钢材受压，里面的钢材受拉，施加预紧力为线性范围的中间值应力，让仪器拥有良好的安全性能跟测量范围，所以其施加的预紧力应为：
Figure BDA0003747494920000082
施加预紧力后所对应的应力值为σm＝150Mpa，将施加预紧力后的状态设为0状态，考虑外部的钢材，其单根能承受的最大力为：
F1＝(σmax-σm)A＝(280-150)×134＝17420N
在本发明一个可能的是实施例中，由于弹性体2为双钢结构，可以采用4组这样的双钢结构。当施加载荷G之后，双钢结构外面钢体受压(即变形件22受压)，压力比0状态增大，压力增加值为F1。里面的钢体受拉(即连接杆21受拉)，拉力比0状态减少，拉力减少值为F2，里面钢材的半径为10mm，面积为A2。由于双钢结构两根钢材的变形量相同，因此它们的应力应变是一样的。
F1＝σ×A1，F2＝σ×A2
Figure BDA0003747494920000091
整个仪器所能承受的最大力为：
F总＝G＝4×57486＝229944N
Figure BDA0003747494920000092
所以该仪器可测量的范围为0～23463kg。
需要说明的是，在本实施例中，如果过需要调整测量范围，可以改变弹性体2(即双钢结构)的数量，例如可以将其调整为6跟，当然，还可以通过调整弹性体2的结构，例如，调整所述变形件22与所述支撑板12的接触面积。这些方案可以根据实际情况对应设置，这里不做具体限定，但这些方案均在本发明的保护范围内。
应变式电阻传感器的工作原理：当导体或半导体受到外力作用时，会产生压阻效应，使其电阻值发生改变，这时通过测量电阻值的大小，就可以反应外界力的大小。电阻型应变片4传感器可以采用桥式测量电路，该双钢结构采用半桥式接法，如图7所示。
半桥式接法的电路为接入四块应变片4，其中两块受压，另外两块不受力。
若R1R3＝R2R4，则电桥输出电压Uab＝0，称此时电桥处于平衡状态。若R1R3≠R2R4,此时电桥处于不平衡状态，则电桥输出的电压为：
Figure BDA0003747494920000101
恰当选择电阻即可消除电桥恒定输出的影响，使输出电压只与电阻应变片4有关。当桥路阻值变化远小于本身的阻值时，电桥的输出电压与各桥臂电阻变化量的代数和成正比，所以电桥输出电压可以反映被测量引起的电阻值变化量。即当ΔR＜＜R时，输出电压为：
Figure BDA0003747494920000102
在该产品中使用相同的电阻，所以R1＝R2＝R3＝R4，但是只有R1、R3会受力且受力情况相同，然后产生电阻值的变化。因为受力情况相同，则他们的电阻变化值相同，即ΔR1＝ΔR3。而R2、R4不受力，则不会产生阻值的变化。所以此时输出的电压为：
Figure BDA0003747494920000103
该仪器通过将应变片4的导线经外接口7与静态应变仪连接，通过静态应变仪，采用半桥的方法测量，通过弹性体2电阻电压的变化测量出应力应变。首先利用己知的重量标定好荷重传感器的标定系数(灵敏度)。后面测量可通过静态应变仪测量出来的应变值，计算出承重物体的重量。
上述实施例至少包括以下有益效果：
双钢结构电阻应变式荷重传感器是一种新型的荷重传感器，通过把弹性体2设计成双钢结构，荷重传感器的量程增加，最大可以达到50吨，甚至更多；可以选择弹性体2最好的线性区域，使测量精度提高。该荷重传感器使用简单方便，并且经济效益好，具有广泛的应用前景和价值。
本发明第二实施例提供了一种测量装置，包括：静态应变仪以及如上任意一项所述的一种新型电阻应变式荷重传感器，所述静态应变仪与多个所述应变片4电气连接。
基于本发明提供的一种新型电阻应变式荷重传感器及测量装置，通过所述调节机构1对多个弹性体2的起始形变值进行调整，使得应力与应变的关系为线性化，通过受力件9的第二端与待测物体接触，受力件9的第一端通过所述调节机构1与所述弹性体2接触，所述应变片4能够感知弹性体2发生的形变量并在所述静态应变仪上显示，解决现有的电阻应变式荷重传感器由于初始应力的影响，测量结果存在误差的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型电阻应变式荷重传感器,其特征在于，包括：基座、多个弹性体、受力件、调节机构、以及多个应变片；
其中，每一所述弹性体包括连接杆、以及套设在所述连接杆中间部的变形件，每一所述应变片配置在对应的变形件上；
所述连接杆的第一端可拆卸地配置在所述基座上，所述连接杆的第二端与所述调节机可拆卸连接，所述受力件的第一端与所述调节机构抵接，所述受力件的第二端用于与待测物体接触，其中，所述调节机构能够调节多个所述弹性体的起始形变值；
多个所述应变片用于与静态应变仪电气连接，以使得多个所述应变片将感知到的所述变形件的形变量在所述静态应变仪上显示。
2.根据权利要求1所述的一种新型电阻应变式荷重传感器,其特征在于，所述调节结构包括支撑板、多个调节件；
其中，每一所述连接杆的第二端贯穿所述支撑板，每一所述调节件对应配置在所述连接杆的第二端上，所述支撑板的第一表面与所述变形件接触，所述支撑板的第二表面与所述受力件接触；
所述调节件配置为在所述连接杆上转动，以调节所述变形件的起始形变值。
3.根据权利要求2所述的一种新型电阻应变式荷重传感器,其特征在于，还包括：壳体、以及与所述壳体可拆卸连接的盖体；
所述基座配置在所述壳体的内部，所述受力件的贯穿所述盖体的顶部。
4.根据权利要求3所述的一种新型电阻应变式荷重传感器,其特征在于，所述受力件包括：第一柱体、与所述第一柱体连接的第二柱体、与所述第二柱体连接的第三柱体、与所述第三柱体连接的第四柱体；
其中，所述第二柱体的直径大于所述第一柱体的直径，所述第三柱体的直径大于所述第四柱体的直径；
所述第一柱体贯穿所述盖体的顶部，所述第二柱体的上表面用于与所述盖体的顶部内表面抵接，所述第三柱体的下表面用于与所述支撑板，所述第四柱体贯穿所述支撑板。
5.根据权利要求3所述的一种新型电阻应变式荷重传感器,其特征在于，所述壳体的侧部设置有接口；
其中，所述接口用于连接所述应变片和静态应变仪。
6.根据权利要求1所述的一种新型电阻应变式荷重传感器,其特征在于，所述连接杆和所述变形件的材质为45#钢。
7.一种测量装置，其特征在于，包括：静态应变仪以及如权利要求1至6任意一项所述的一种新型电阻应变式荷重传感器，所述静态应变仪与多个所述应变片电气连接。
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