CN115468636A - 一种高精度纳米薄膜起重量限制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度纳米薄膜起重量限制器，涉及起重量限制器技术领域，包括弹性环，所述弹性环的两侧均开设有应力孔，所述应力孔内壁的两侧均设置有检测结构，所述检测结构包括若干个等角度排布的应变电阻，若干个应变电阻分设为两组，每组应变电阻电性连接形成惠斯通电桥；本发明采用对薄钢片镀纳米薄膜并光刻的方式生成敏感电阻，通过精密点焊方式直接装在弹性环上，并电性连接构成惠斯通电桥，实现对起重量限制器受力状态的检测；本发明的检测结构直接设置弹性环上开设应力孔内，惠斯通电桥的直接测量弹性环应变，不再通过变形弹片传递来间接测量，避免通过变形弹片传递后间接测量，产生传递误差，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及起重量限制器技术领域，具体是一种高精度纳米薄膜起重量限制器。
背景技术
起重量限制器是主要用于塔吊、起重机等起重设备起重量的测量和控制的一类设备；目前现有起重量限制器结构，主要包括弹性环以及焊接于弹性环中的两个变形弹片，当弹性环受力时，变形弹片向中间靠拢，安装在弹片上的磁感应位移传感器靠近，通过检测弹片的靠近距离来检测所施加力的大小；其缺点是：其变形弹片采用氩弧电焊接方式，焊接应力影响大，不稳定，连续检测精度差，重复精度普遍只能达到2.5%-5% FS（FS：满量程），且其检测过程中，弹性环的形变需要通过变形弹片传递至磁感应位移传感器，使得检测的精度和可靠性降低；变形弹片普遍采用的弹簧钢，其材料性质使其受环境温湿度变化影响较大。
总之，目前的起重量限制器在机械弹片上安装磁感应位移传感器检测力值的结构，易受诸多因素影响，导致产品的精度、重复性差、故障率高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度纳米薄膜起重量限制器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高精度纳米薄膜起重量限制器，包括弹性环，所述弹性环的上下两端均固定连接有吊耳，两个所述吊耳的中部均开设有连接孔；
所述弹性环的两侧均开设有应力孔，两个所述应力孔内壁的两侧均设置有检测结构，所述检测结构包括若干个等角度排布的应变电阻，若干个所述应变电阻均通过精密点焊与应力孔的内壁固定连接；所述应力孔内壁的两侧均设置有检测结构，所述检测结构包括若干个等角度排布的应变电阻，若干个应变电阻分设为两组，每组应变电阻相互之间电性连接形成惠斯通电桥；
以应力孔侧视截面的中心为原点建立平面直角坐标系，此处的侧视指的是应力孔内腔端部的方向观察，侧视截面的中心指的时应力孔内腔截面所形成的圆形的中心；其中一组应变电阻分别位于X、Y轴上，该组应变电阻用于检测竖直方向上的拉力或压力；
另一组四个应变电阻倾斜45度设置，即应变电阻分别位于平面直角坐标系的四个象限的平分中线上，该组应变电阻用于测量剪力和扭力。
作为本发明进一步的方案：所述应变电阻是在敏感钢片上利用原子薄膜沉积系统沉积多层纳米薄膜，再由精密光刻后制备得到，所述敏感钢片材料为恒弹性合金材料或弹性钢、非晶弹性材料、钛合金材料等材料制备的薄钢片。
作为本发明进一步的方案：所述弹性环内壁的中部对称设置有两个变形弹片；所述弹性环内壁的一侧固定安装有若干个微动开关，靠近微动开关的变形弹片上固定连接有若干个微动接触块，若干个所述微动接触块的一侧分别与若干个微动开关的感应端固定连接，另一个所述变形弹片的中部固定连接有若干个调整螺母，若干个所述调整螺母的内壁均螺纹连接有调整螺栓，若干个所述调整螺栓的一端分别与若干个微动接触块的一侧转动连接，所述微动开关远离变形弹片的一侧设置有开关量接线柱，所述弹性环内壁的另一侧固定安装有数字量接线柱和调理电路板，所述数字量接线柱和调理电路板均与应变电阻电性连接。
作为本发明进一步的方案：所述弹性环的两侧均设置有密封盖板，两个所述密封盖板的边沿均开设有若干个移位槽，所述移位槽的内壁固定连接有防尘软垫，所述防尘软垫可选择海绵或其他压缩阻力较小的材质，若干个所述防尘软垫的中部均套设有盖板螺栓，所述防尘软垫的大小大于移位槽的大小，所述移位槽的大小大于盖板螺栓的直径大小，所述弹性环两侧的边沿均开设有若干个螺纹孔，若干个螺纹孔分别与若干个盖板螺栓对应设置。
作为本发明进一步的方案：所述应力孔包括与弹性环外侧相连通的外孔腔以及与弹性环内侧相连通的内孔腔，所述内孔腔的内径小于外孔腔的内径，位于同一应力孔内的两个检测结构分别设置于内孔腔内壁朝向弹性环内侧的边沿位置以及外孔腔内壁朝向弹性环内侧的边沿位置。
作为本发明进一步的方案：该起重限制器的工作方法包括下列步骤：
步骤一：通过两个吊耳将装置整体安装于使用位置；
步骤二：当弹性环受力后，产生形变，带动应变电阻形变，使得惠斯通电桥失去平衡，输出与所受力成正比的电信号；
步骤三：惠斯通电桥输出信号送入调理电路板，经调理电路板上的调理电路处理后，输出给用户主机处理系统；
步骤四：弹性环产生形变带动变形弹片变形，触发微动开关，当微动开关达到预设力值时，断开开关量接线柱接线，中断设备工作电路，起到对设备的硬控制与保护作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用对薄钢片镀纳米薄膜并光刻的方式生成敏感电阻，通过精密点焊方式直接装在弹性环上，并电性连接构成惠斯通电桥，利用惠斯通电桥各位置电阻受力形变产生的电信号，实现对起重量限制器受力状态的检测；
且本发明的检测结构直接设置弹性环上开设应力孔内，惠斯通电桥的直接测量弹性环应变，不再通过变形弹片传递来间接测量，避免通过变形弹片传递后间接测量，产生传递误差，检测精度及稳定性较现有的变形弹片配合磁感应测量的方式有大幅提高。
本发明的应变电阻，其在进行薄钢片的焊接时，采用精密点焊技术，无焊接热应力，避免了采用传统焊接带来的应力影响；
本发明保留微动开关和变形弹片等常见结构，用于精度较低的硬保护；在弹性环形变幅度过大，即达到相应的预设力值时，断开开关量接线柱接线，中断设备工作电路，实现对设备的硬控制与保护作用，进一步提高了设备使用运作过程中的安全性。
附图说明
图1为本发明的正视截面图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明的侧视截面图；
图4为本发明检测结构的结构示意图；
图5为本发明实施例二的正视截面图；
图6为本发明实施例二的侧视截面图。
图中：1、吊耳；2、弹性环；3、应力孔；4、检测结构；5、应变电阻；6、变形弹片；7、微动接触块；8、调整螺栓；9、微动开关；10、开关量接线柱；11、数字量接线柱；12、调理电路板；13、密封盖板；14、盖板螺栓；15、变形横条。
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做出创造性劳动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。
实施例一；
请参阅图1-图4，本发明实施例中，一种高精度纳米薄膜起重量限制器，包括弹性环2，弹性环2的上下两端均固定连接有吊耳1，两个吊耳1的中部均开设有连接孔；
弹性环2的两侧均开设有应力孔3，两个应力孔3内壁的两侧均设置有检测结构4，检测结构4包括若干个等角度排布的应变电阻5；应力孔3用于增加焊接敏感电阻的位置应变，增大信号输出；
在本实施例中，应变电阻5设置为八个，八个应变电阻5均通过精密点焊与应力孔3的内壁固定连接；
应变电阻5是在敏感钢片利用原子薄膜沉积系统沉积多层纳米薄膜，再由精密光刻后制备得到，相较于传统的由弹簧钢制作的变形弹片来说，精度更高、长期稳定性更好，其中对力敏感的敏感层薄膜厚度为60至90纳米，故称纳米薄膜；由于采用了纳米沉积及精密光刻技术形成敏感电桥技术，重复精度可以优于0.2%，大幅提高了检测精度；
敏感钢片是在厚0.01mm-1mm，材料为恒弹性合金材料，或弹性钢、非晶弹性材料、钛合金材料等的方形（或其他形状）钢片上，利用原子薄膜沉积系统沉积多层纳米薄膜，精密光刻后形成应变电阻5的薄钢片，根据需要，可以光刻一个或多个电阻，满足不同测量的需求；也可采用传统树脂基应变片替代敏感钢片；
本申请采用精密点焊技术焊接薄钢片，无焊接热应力，消除传统焊接时得的应力对检测精度的影响；
每四个间隔排布的应变电阻5设为一组，每组应变电阻5电性连接形成惠斯通电桥；利用检测结构4在受力时应变电阻5的受力形变，打破惠斯通电桥输出平衡产生电信号，实现对受力大小的检测；
请参阅图4，以应力孔3侧视截面的中心为原点建立平面直角坐标系，其中一组四个应变电阻5分别位于X、Y轴的四个半轴上，按照逆时针方向分别命名为R1、R2、R3、R4，该组应变电阻5用于检测竖直方向上的拉力或压力；当弹性环2在X方向受力时，R1、R3电阻拉长，阻值变大，R2、R4电阻压缩，阻值变小，惠斯通电桥失去平衡，输出与所受力成正比的电信号；
惠斯通电桥的输出信号经过调理电路板12的信号处理，输出RS485/CAN、电流、电压等信号，用于用户主机处理系统的处理；
另一组四个应变电阻5倾斜45度设置，即四个应变电阻5分别位于平面直角坐标系的四个象限的平分中线上，按照逆时针方向分别命名为R5、R6、R7、R8，该组应变电阻5用于测量剪力和扭力，工作原理与前一组相同。
弹性环2内壁的中部对称设置有两个变形弹片6；弹性环2内壁的一侧固定安装有若干个微动开关9，在本实施例中，微动开关9设置有四个，并呈两行两列排布，靠近微动开关9的变形弹片6上固定连接有四个微动接触块7，四个微动接触块7的一侧分别与四个微动开关9的感应端固定连接，另一个变形弹片6的中部固定连接有四个调整螺母，四个调整螺母的内壁均螺纹连接有调整螺栓8，四个调整螺栓8的一端分别与四个微动接触块7的一侧转动连接，微动开关9远离变形弹片6的一侧设置有开关量接线柱10，微动开关9与开关量接线柱10电性连接；弹性环2内壁的另一侧固定安装有数字量接线柱11和调理电路板12，数字量接线柱11和调理电路板12均与应变电阻5电性连接；四个微动开关9，分别标定25%FS、50%FS、75%FS、100%FS四个点，根据实际需求可以增减数量及变化设定力值，通过变形弹片6和微动开关9的配合，在弹性环2形变幅度过大，即达到相应的预设力值时，断开开关量接线柱10接线，中断设备工作电路，实现对设备的硬控制与保护作用。
为对弹性环2内部的元器件进行防护和防尘，弹性环2的两侧均设置有密封盖板13，两个密封盖板13的边沿均开设有若干个移位槽，移位槽的内壁固定连接有防尘软垫，若干个防尘软垫的中部均套设有盖板螺栓14，防尘软垫的大小大于移位槽的大小，移位槽的大小大于盖板螺栓14的直径大小，以此使得在弹性环2发生形变时，盖板螺栓14能够与密封盖板13之间进行相对运动，避免密封盖板13对弹性环2的形变造成阻碍；弹性环2两侧的边沿均开设有若干个螺纹孔，若干个螺纹孔分别与若干个盖板螺栓14对应设置。
应力孔3包括与弹性环2外侧相连通的外孔腔以及与弹性环2内侧相连通的内孔腔，内孔腔的内径小于外孔腔的内径，位于同一应力孔3内的两个检测结构4分别设置于内孔腔和外孔腔内壁朝向弹性环2内侧的边沿位置；应力孔3也增加了敏感电阻的位置应变，增大了信号输出，通过在同一个应力孔3的不同位置设置检测结构4，进一步提高检测精度。
起重限制器的工作原理：
通过两个吊耳1将装置整体以常规的起重量限制器的安装方式安装于使用位置，拉力的作用方向牵引两侧吊耳1相互远离运动，通过吊耳1的运动牵拉弹性环2；
当弹性环2受力后产生形变，带动应变电阻5形变，使得惠斯通电桥失去平衡，进而输出与所受力成正比的电信号；惠斯通电桥输出的信号送入调理电路板12，经调理电路板12上的调理电路处理后，输出给用户主机处理系统；弹性环2产生形变带动变形弹片6变形，触发微动开关9，当微动开关9达到预设力值时，断开开关量接线柱10接线，而后中断设备工作电路，起到硬控制与保护作用。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于，采用不同的检测结构4的安装设置方式；
请参阅图5-图6，在本实施例中，弹性环2两侧不开设应力孔3，在弹性环2的内壁中部设置有变形横条15，变形横条15为一体式机加工成型，变形横条15的中部嵌设有两个对称设置的检测结构4，本实施例的检测结构4与实施例一的检测结构4相同；
在工作时，由弹性环2的受力形变带动变形横条15形变，进而带动检测结构4的应变电阻5移位或形变，实现对弹性环2受力状态的检测；变形横条15的设置位置使得本实施例中的检测结构4位于起重量限制器整体的中部，使得弹性环2各个方向上的受力形变都能够均匀的传导至检测结构4上，同时相较于实施例一中通过在弹性环2上开设应力孔3，再在应力孔3内安装检测结构4的方式，本实施例通过在弹性环2内设置变形横条15，并在变形横条15上安装检测结构4的方式，其加工操作难度更低，更方便进行实施。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种高精度纳米薄膜起重量限制器，包括弹性环（2），所述弹性环（2）的两端均固定连接有吊耳（1），其特征在于，所述弹性环（2）的两侧均开设有应力孔（3），两个所述应力孔（3）内壁的两侧均设置有检测结构（4），所述检测结构（4）包括若干个等角度排布的应变电阻（5），若干个应变电阻（5）分设为两组，每组应变电阻（5）电性连接形成惠斯通电桥。
2.根据权利要求1所述的一种高精度纳米薄膜起重量限制器，其特征在于，以应力孔（3）截面的中心为原点建立平面直角坐标系，其中一组应变电阻（5）位于X、Y轴上，该组应变电阻（5）用于检测竖直方向上的拉力或压力；
另一组应变电阻（5）倾斜设置，且分别位于平面直角坐标系四个象限的平分中线上，该组应变电阻（5）用于测量剪力和扭力。
3.根据权利要求1所述的一种高精度纳米薄膜起重量限制器，其特征在于，所述应变电阻（5）是在钢片上利用原子薄膜沉积系统沉积多层纳米薄膜，再由精密光刻后制备得到。
4.根据权利要求1所述的一种高精度纳米薄膜起重量限制器，其特征在于，所述应力孔（3）包括与弹性环（2）外侧相连通的外孔腔以及与弹性环（2）内侧相连通的内孔腔，所述内孔腔的内径小于外孔腔的内径，两个检测结构（4）分别设置于内孔腔和外孔腔内壁朝向弹性环（2）内侧的边沿位置。
5.根据权利要求1所述的一种高精度纳米薄膜起重量限制器，其特征在于，所述弹性环（2）内壁的中部对称设置有两个变形弹片（6）；所述弹性环（2）内壁的一侧固定安装有微动开关（9），靠近微动开关（9）的变形弹片（6）上固定连接有微动接触块（7），所述微动接触块（7）的一侧与微动开关（9）的感应端固定连接，另一个所述变形弹片（6）的中部固定连接有调整螺母，所述调整螺母的内壁螺纹连接有调整螺栓（8），所述调整螺栓（8）的一端与微动接触块（7）的一侧转动连接，所述微动开关（9）远离变形弹片（6）的一侧设置有开关量接线柱（10），所述弹性环（2）内壁的另一侧固定安装有数字量接线柱（11）和调理电路板（12），所述数字量接线柱（11）和调理电路板（12）均与应变电阻（5）电性连接。
6.根据权利要求1所述的一种高精度纳米薄膜起重量限制器，其特征在于，所述弹性环（2）的两侧均设置有密封盖板（13），两个所述密封盖板（13）的边沿均开设有若干个移位槽，所述移位槽的内壁固定连接有防尘软垫，若干个所述防尘软垫的中部均套设有盖板螺栓（14），所述防尘软垫的大小大于移位槽的大小，所述移位槽的大小大于盖板螺栓（14）的直径大小，所述弹性环（2）两侧的边沿均开设有若干个螺纹孔，若干个螺纹孔分别与若干个盖板螺栓（14）对应设置。
7.根据权利要求1所述的一种高精度纳米薄膜起重量限制器，其特征在于，该起重量限制器的工作方法包括下列步骤：
步骤一：通过两个吊耳（1）将装置整体进行安装；
步骤二：当弹性环（2）受力后产生形变，带动应变电阻（5）形变，使得惠斯通电桥失去平衡，输出与所受力成正比的电信号；
步骤三：惠斯通电桥输出信号送入调理电路板（12），经调理电路板（12）上的调理电路处理后，输出给用户主机处理系统；
步骤四：弹性环（2）产生形变带动变形弹片（6）变形，触发微动开关（9），当微动开关（9）达到预设力值时，断开电路接线，进行硬控制与保护。
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