CN115265882A - 一种应变式张力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变式张力传感器，包括圆柱形的弹性体和固定套设在弹性体上的轴承，弹性体通过固定轴与固定支架固连；在弹性体中周向均匀设置有三个张力检测单元，每个张力检测单元都包括第一应变工艺孔和四个沿第一应变工艺孔周向均匀分布的安装孔，安装孔位于第一应变工艺孔的外侧，第一应变工艺孔的轴向、安装孔的轴向及弹性体的轴向相互平行，第一应变工艺孔为圆形通孔，且安装孔靠近第一应变工艺孔的一侧与第一应变工艺孔的中心之间的距离大于第一应变工艺孔的半径；在安装孔中靠近第一应变工艺孔的一侧安装有应变片，同一个张力检测单元中的四个应变片组成一个应变片全臂电桥。本发明提高了钢丝绳张力测量的精度，且使用方便。

Description

一种应变式张力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种应变式张力传感器。

背景技术

牵引钢丝绳被广围应用于工业矿业中，一般情况下提升机会用四根及以上的钢丝绳来进行上下来回运动的工作，在矿井、电梯等提升机的设备中其主要的承重部件都是牵引钢丝绳。考虑到钢丝绳的实际运行情况和承载能力会时刻影响到设备的寿命和从业者的人身安全，因此对于钢丝绳的科学养护是很有必要的。若牵引钢丝绳受力不均匀，可能导致其中的一根钢丝绳发生断裂，进而会使得其它钢丝绳也会受到影响从而断裂。对牵引钢丝绳的张力进行实时监测并加以记录，就能够发现其中每根钢丝绳的张力实际变化状况，可以通过维护、调整、更新钢丝绳使它们受力均匀，而不至于钢丝绳彼此之间的张力相差甚远或其张力过载造成断裂松绳等事故的发生，从根本上保证牵引提升机安全运行及预防事故的发生具有重要意义。

对于牵引钢丝绳的张力进行实时监测常见的有三种方法：压轮-力电转换法、串接荷重传感器法、三滚轮法。

压轮-力电转换法借助于力电转换技术，在提升天轮相对位置布置压轮传感器，将钢丝绳的纵向压力按一定的比例水平作用于力电转元件上，当压轮跟钢丝绳处于某一相对位置时，就能够根据测量出电信号与钢丝绳的受载特性关系，通过研究测量的数据及改变趋势，推算出钢丝绳的张力大小。当测试完成后，压轮和传感器就会被推进机构推行移动，使得压轮和钢丝绳脱离接触。但是压轮—力电转换传感器法都是静态的间接检测，无法做到实时测量，中间环节较多，其中一些数据亦不可靠，同时效率不高及精度也较低，系统运行不平稳。

串接荷重传感器法通常是在钢丝绳和容器的连接处串接一个荷重传感器。连接的具体方式也有多种，通常采用销连接方式串入荷重传感器对载荷进行称重。目前通常利用串接荷重传感器法进行钢丝绳张力检测，但串接法对传感器的强度要求较高，根据《煤矿安全规程》规定，串接传感器强度不低于钢丝绳静张力的13倍，故串接张力传感器灵敏度较低，影响张力测量精度，张力检测值有较大误差。串接荷重传感器安装与维护需停止牵引提升机作业，荷重传感器串接于钢丝绳与提升容器之间，荷重传感器伴随提升容器运动，后期安装和使用均不便利。

三滚轮法采用三个滚轮并施加一定的横向力使之夹持在钢丝绳上，钢丝绳的拉力会使中间轮和钢丝绳间产生位移量，根据钢丝绳拉力与横向力、位移量间的关系可实现对载荷的检测。三滚轮法对监测装置安装精度和中间滚轮的横向位移量要求严格，故张力检测结果精度难以提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种应变式张力传感器，以解决上述现有技术存在的问题，提高钢丝绳张力测量的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种应变式张力传感器，包括圆柱形的弹性体和固定套设在所述弹性体上的轴承，所述弹性体通过固定轴与固定支架固连；在所述弹性体中周向均匀设置有三个张力检测单元，每个所述张力检测单元都包括第一应变工艺孔和四个沿所述第一应变工艺孔周向均匀分布的安装孔，所述安装孔位于所述第一应变工艺孔的外侧，所述第一应变工艺孔的轴向、所述安装孔的轴向及所述弹性体的轴向相互平行，所述第一应变工艺孔为圆形通孔，且所述安装孔靠近所述第一应变工艺孔的一侧与所述第一应变工艺孔的中心之间的距离大于所述第一应变工艺孔的半径；在所述安装孔中靠近所述第一应变工艺孔的一侧安装有应变片，同一个所述张力检测单元中的四个所述应变片组成一个应变片全臂电桥。

优选的，所述轴承为V型槽圆柱轴承。

优选的，三个所述应变片全臂电桥分别与信号放大调理电路电连接，所述信号放大调理电路与模拟数字转换电路电连接，所述模拟数字转换电路与单片机电连接，所述单片机与显示屏电连接；所述应变片全臂电桥、所述信号放大调理电路、所述模拟数字转换电路和所述单片机分别与电源电连接。

优选的，所述弹性体中设置有三个第二应变工艺孔，三个所述第二应变工艺孔和三个所述第一应变工艺孔沿所述弹性体的周向均匀设置，且所述第二应变工艺孔和所述第一应变工艺孔间隔分布；所述第二应变工艺孔为圆形通孔，所述第二应变工艺孔的轴向与所述弹性体的轴向平行。

优选的，所述弹性体的材料为合金。

优选的，所述弹性体与所述轴承的内圈过盈配合。

优选的，所述固定轴与所述轴承同轴。

优选的，在同一个所述张力检测单元中有两个不相邻的所述应变片沿所述弹性体的径向分布。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的应变式张力传感器提高了钢丝绳张力测量的精度，且使用方便。本发明的应变式张力传感器在使用时将待检测张力的钢丝绳缠绕于传感器V型槽内，使得本发明的应变式张力传感器将待检测张力的钢丝绳张紧即可，钢丝绳受到张力后压力加载到本发明的应变式张力传感器，并通过后续的电路和单片机的处理，能够实时监测钢丝绳张力。一方面，不需要将传感器串接于钢丝绳和提升容器之间，监测装置安装简便，后期维护使用方便；另一方面，不需要将传感器串接于钢丝绳和提升容器之间也避免了串接张力传感器灵敏度较低从而造成测量精度低的问题；再一方面，在使用时只需要将用本发明的应变式张力传感器将待检测张力的钢丝绳张紧即可，安装精度要求低，避免了安装精度不满足要求而造成的张力检测精度低的问题，从而间接提高了张力检测的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明应变式张力传感器的结构示意图；

图2为本发明应变式张力传感器中张力检测单元的结构示意图；

图3为本发明应变式张力传感器中信号处理单元的电路框图；

图4为本发明应变式张力传感器的受力分析示意图；

其中：100、应变式张力传感器；1、轴承；2、弹性体；3、装配孔；4、张力检测单元；5、第一应变工艺孔；6、安装孔；7、第二应变工艺孔；8、应变片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种应变式张力传感器，以解决上述现有技术存在的问题，提高钢丝绳张力测量的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图4所示：本实施例提供了一种应变式张力传感器100，包括圆柱形的弹性体2和固定套设在弹性体2上的轴承1，弹性体2与轴承1的内圈过盈配合，弹性体2通过固定轴与固定支架固连，固定轴与轴承1同轴；固定轴固定设置在弹性体2中心的装配孔3里。在本实施例中，轴承1采用V型槽圆柱轴承，在使用时将待检测张力的钢丝绳绕过V型槽圆柱轴承的V型槽内。

在弹性体2中周向均匀设置有三个张力检测单元4，每个张力检测单元4都包括第一应变工艺孔5和四个沿第一应变工艺孔5周向均匀分布的安装孔6，安装孔6位于第一应变工艺孔5的外侧，第一应变工艺孔5为圆形通孔，且安装孔6靠近第一应变工艺孔5的一侧与第一应变工艺孔5的中心之间的距离大于第一应变工艺孔5的半径；在安装孔6中靠近第一应变工艺孔5的一侧安装有应变片8，同一个张力检测单元4中的四个应变片8组成一个应变片全臂电桥。

在同一个张力检测单元4中有两个不相邻的应变片8沿弹性体2的径向分布，而同一个张力检测单元4中的另两个应变片8则沿与弹性体2的径向垂直的方向分布。

三个应变片全臂电桥分别与信号放大调理电路电连接，信号放大调理电路与模拟数字转换电路电连接，模拟数字转换电路与单片机电连接，单片机与显示屏电连接；应变片全臂电桥、信号放大调理电路、模拟数字转换电路和单片机分别与电源电连接。

弹性体2中还设置有三个第二应变工艺孔7，三个第二应变工艺孔7和三个第一应变工艺孔5沿弹性体2的周向均匀设置，且第二应变工艺孔7和第一应变工艺孔5间隔分布；第二应变工艺孔7为圆形通孔，第一应变工艺孔5的轴向、第二应变工艺孔7的轴向、安装孔6的轴向及弹性体2的轴向相互平行。

弹性体2的材料为合金，具体可以采用合金钢40Cr、35CrMnSiA、50CrVA、硬铝LY12及超硬铝LC4等。

参照图4，本实施例的应变式张力传感器100的工作原理如下：

当钢丝绳缠绕于本实施例的应变式张力传感器100的V型槽内，并用本实施例的应变式张力传感器100将钢丝绳张紧后，钢丝绳缠两端受张力T1，T2，且同一根钢丝绳张力T1＝T2，在T1、T2作用下产生分力P1作用于应变式张力传感器100，分力P1方向为指向应变式张力传感器100轴心，分力P1在XY坐标系中与y轴夹角为J3，分力P1＝T1×sin(J3)+T2×sin(J3)，由于T1＝T2，故P1＝2×T1×sin(J3)。分力P1通过轴承1(V型槽圆柱轴承为刚性轴承，受力形变小忽略)，传递作用到弹性体2，弹性体2发生形变，3个张力检测单元4检测到引起弹性体2发生形变作用力分别为F1、F2、F3，力F1、F2、F3与分力P1关系分别为：

F1＝P1×cos(J3)

F2＝P1×cos(J3+120°)

F3＝P1×cos(J3+240°)

由上面3个公式可以得出

从而求得J3角度，再结合P1＝2×T1×sin(J3)和F1＝P1×cos(J3)求得，进而获得钢丝绳实时张力T1。

3个张力检测单元4作用力F1、F2、F3由信号处理单元获得，信号处理单元的电路框图如图4所示，信号处理单元的处理电路包括：应变片全臂电桥、信号放大调理电路、模拟数字转换电路、单片机系统、RS485接口、显示单元、电源。因每个张力检测单元4由4个应变片8，这4个应变片8组成一个应变片全臂电桥，3个张力检测单元4共构成3个应变片全臂电桥，作用力F1、F2、F3引起的形变分别由3个张力检测单元4转换为电压U1、U2、U3，电压U1、U2、U3经后续信号放大调理电路、模拟数字转换电路处理后由单片机分析处理获得F1、F2、F3，再由单片机通过程序按照上述张力计算方法获得钢丝绳实时张力T1，并由显示单元显示监测张力值，监测张力值也可通过RS485接口输出到其它终端设备。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种应变式张力传感器，其特征在于：包括圆柱形的弹性体和固定套设在所述弹性体上的轴承，所述弹性体通过固定轴与固定支架固连；在所述弹性体中周向均匀设置有三个张力检测单元，每个所述张力检测单元都包括第一应变工艺孔和四个沿所述第一应变工艺孔周向均匀分布的安装孔，所述安装孔位于所述第一应变工艺孔的外侧，所述第一应变工艺孔的轴向、所述安装孔的轴向及所述弹性体的轴向相互平行，所述第一应变工艺孔为圆形通孔，且所述安装孔靠近所述第一应变工艺孔的一侧与所述第一应变工艺孔的中心之间的距离大于所述第一应变工艺孔的半径；在所述安装孔中靠近所述第一应变工艺孔的一侧安装有应变片，同一个所述张力检测单元中的四个所述应变片组成一个应变片全臂电桥。

2.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：所述轴承为V型槽圆柱轴承。

3.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：三个所述应变片全臂电桥分别与信号放大调理电路电连接，所述信号放大调理电路与模拟数字转换电路电连接，所述模拟数字转换电路与单片机电连接，所述单片机与显示屏电连接；所述应变片全臂电桥、所述信号放大调理电路、所述模拟数字转换电路和所述单片机分别与电源电连接。

4.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：所述弹性体中设置有三个第二应变工艺孔，三个所述第二应变工艺孔和三个所述第一应变工艺孔沿所述弹性体的周向均匀设置，且所述第二应变工艺孔和所述第一应变工艺孔间隔分布；所述第二应变工艺孔为圆形通孔，所述第二应变工艺孔的轴向与所述弹性体的轴向平行。

5.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：所述弹性体的材料为合金。

6.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：所述弹性体与所述轴承的内圈过盈配合。

7.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：所述固定轴与所述轴承同轴。

8.根据权利要求1所述的应变式张力传感器，其特征在于：在同一个所述张力检测单元中有两个不相邻的所述应变片沿所述弹性体的径向分布。

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