CN115876368B - 一种用于高温高压水环境的测力传感器及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于高温高压水环境的测力传感器及其装配方法，包括：套筒、弹性测力元件、全桥电路、活塞、密封端子、试样连接件及作动器连接件，弹性测力元件设置在套筒内，且弹性测力元件设有应变测量部；全桥电路包括至少一组高温应变片，高温应变片粘贴在应变测量部上；密封端子、活塞、弹性测力元件与套筒共同围成一密封腔，活塞能够在密封腔内外的压差作用下于密封腔内移动，且试样连接件安装在弹性测力元件上用于直接与试样连接。本申请的测力传感器，能够通过活塞平衡密封腔内外的压力，以提高传感器于不同水压工况下的测量精度和适应性，能够利用全桥电路保证测量结果的准确性，从而能够应用于高压釜内实现对试样上的力值的直接测量。

Description

一种用于高温高压水环境的测力传感器及其装配方法

技术领域

本申请涉及高温高压水环境复合交变冲击微动疲劳测试领域，更具体地说，涉及一种用于高温高压水环境的测力传感器及其装配方法。

背景技术

在核电等工业领域中，服役管道的运行环境特殊、工况复杂，对零件的服役寿命、使用环境及可靠性的要求严格。例如，在压水堆核电站中，其蒸汽发生器的传热管内的高温水会引起流致振动和压力变动，从而导致传热管与其支撑部件之间产生微动磨损，造成传热管的磨损破裂，极大地威胁了核电站的安全。在实际工况中，微动磨损的部件的相对运动形式复杂，通常为多方向的复合作用。核电环境的特殊性以及微动磨损工况的复杂性为材料的力学性能测试带来了一定的难度。为了针对核电管道及材料的腐蚀疲劳及流致振动等失效行为及材料使用寿命进行研究，需要在模拟环境下进行模拟工况试验。

公告号为CN104374661B的中国专利公开了一种高温高压原位复合微动磨损试验装置，其为立式结构，采用压电陶瓷驱动器作为动力源，通过高压釜外部的负荷传感器间接测量摩擦试样之间的摩擦力，并使用压力平衡机构平衡高压釜内压力对运动轴的作用力，但其仍未能分离试样摩擦力和密封件与运动轴之间产生的摩擦力。

也就是说，现有技术中的微动磨损试验装置不能消除运动轴与密封件之间的摩擦力对试验数据的影响，并且其依靠设置在高压釜外部的传感器进行数据测量，不能实现作用在试样上的力值的直接测量，难以保证测量的准确性。

发明内容

本申请的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种用于高温高压水环境的测力传感器及其装配方法，能够消除运动轴与密封件之间的摩擦力对试验数据的影响，并且能够实现作用在试样上的力值的直接测量。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种用于高温高压水环境的测力传感器，包括：

套筒，所述套筒设置在高压釜内；

弹性测力元件，所述弹性测力元件的两端均设有开口，所述弹性测力元件沿所述套筒的轴线方向贯穿设置在所述套筒内，且所述弹性测力元件设有垂直于自身轴线方向的贯通孔，所述贯通孔内设有应变测量部；

全桥电路，所述全桥电路设置在所述贯通孔内，所述全桥电路包括至少一组高温应变片，所述高温应变片粘贴在所述应变测量部上；

活塞，所述活塞压入在所述弹性测力元件的其中一端的开口内；

密封端子，所述密封端子压入在所述弹性测力元件的另一端的开口内，所述密封端子与所述全桥电路电连接，且所述密封端子与所述弹性测力元件的内壁密封连接；所述密封端子、所述活塞、所述弹性测力元件与所述套筒共同围成一密封腔，所述密封腔内注满绝缘的油液，所述活塞能够在所述密封腔内外的压差作用下于所述密封腔内移动；

试样连接件，所述试样连接件安装在所述弹性测力元件设有所述活塞的一端上，所述试样连接件用于直接与需要测量的试样连接，且所述试样连接件能够将试样所受的力传递到所述应变测量部；以及

作动器连接件，所述作动器连接件安装在所述弹性测力元件设有所述密封端子的一端上，所述作动器连接件用于限制所述密封端子脱离所述弹性测力元件。

可选地，所述套筒与所述弹性测力元件之间设有第一密封圈。

可选地，所述试样连接件为筒状，所述试样连接件套装在在所述弹性测力元件设有所述活塞的一端上，且所述试样连接件与所述弹性测力元件之间设有第二密封圈。

可选地，所述作动器连接件为筒状，所述作动器连接件套装在在所述弹性测力元件设有所述密封端子的一端上，且所述作动器连接件与所述弹性测力元件之间设有第三密封圈。

可选地，所述用于高温高压水环境的测力传感器还包括第四密封圈，所述第四密封圈沿所述套筒的轴线方向设置在所述试样连接件与所述套筒之间以及所述套筒与所述作动器连接件之间。

可选地，所述活塞的外周面上设有环状凹槽，所述环状凹槽内安装有第五密封圈，所述第五密封圈与所述弹性测力元件的内壁密封接触。

可选地，所述全桥电路由四组所述高温应变片组成，四组所述高温应变片均通过粘贴剂粘贴在所述应变测量部上。

可选地，所述密封端子设有信号连接线，所述作动器连接件设有通孔，所述信号连接线由所述通孔向外伸出并与外界的信号采集设备连接。

可选地，所述密封端子与所述全桥电路之间通过桥路电缆实现电连接。

根据本申请实施例的用于高温高压水环境的测力传感器，当被测容器内的液体压力增加时，活塞会向密封腔内移动，密封腔内体积变小，压强增加，直到被测容器内的液体压力与密封腔内的油液压力相等时活塞才停止运动；反之，活塞则会向密封腔外移动以平衡被测容器内的液体压力。如此，本申请实施例的测力传感器通过活塞的往复移动就可以自动平衡密封腔内外的压力，提高了测力传感器在不同水压工况下的测量精度和适应性能，使得测力传感器能应用于高压环境。并且，本申请实施例的测力传感器，设置全桥电路的高温应变片粘贴在应变测量部上，通过全桥电路的补偿特性保证了测力传感器在高温环境下的测量准确性。同时，测力传感器的试样连接件直接与试样连接，而试样连接件则安装在弹性测力元件上，使得弹性测力元件的应变测量部能够直接感应到由试样传递给试样连接件的力的数值变化，而通过密封腔内设置的全桥电路以及与之电连接的密封端子便能测得试样上的力值并向外界输出，从而实现作用在试样上的力值的直接测量，而不必像现有技术中那样通过设置在高压釜外部的传感器

进行间接测量，消除了现有技术中运动轴与密封件之间的摩擦力对试₅验数据的影响，保证了测量的准确性。

另一方面，本申请实施例还提供一种用于高温高压水环境的测力传感器的装配方法，包括以下步骤：

用桥路电缆连接密封端子与弹性测力元件内的全桥电路，并使所述密封端子位于所述弹性测力元件的外部；

将套筒通过第一密封圈与所述弹性测力元件配合安装；

将套设有第五密封圈的活塞压入所述弹性测力元件远离所述密封端子的一端的开口内，其中，此时的所述活塞压入所述弹性测力元件的深度大于所述用于高温高压水环境的测力传感器在完成装配后所述活塞压入的深度；

旋转所述弹性测力元件，使其未压入所述活塞的一端朝外，向所述弹性测力元件内注入绝缘的油液；

将所述密封端子压入所述弹性测力元件远离所述活塞的一端的开口内，并使得所述密封端子的外端面与所述弹性测力元件的外端面平齐；

安装所述试样连接件与所述第二密封圈，安装所述作动器连接件与所述第三密封圈，并安装所述第四密封圈；

在力标准机上对所述用于高温高压水环境的测力传感器进行拉压双向检定，获得所述用于高温高压水环境的测力传感器的精度指标。

根据本申请实施例的用于高温高压水环境的测力传感器的装配方法，可以保证密封腔内注满绝缘的油液，从而使得密封腔内并不存在空气残留，从而可以使得本申请实施例的测力传感器的使用性能更佳。

附图说明

图1是本申请实施例提供的用于高温高压水环境的测力传感器的剖面结构示意图；

图2是本申请实施例提供的用于高温高压水环境的测力传感器的立体结构示意图。

说明书中的附图标记如下：

1、试样连接件；2、活塞；3、第五密封圈；4、第四密封圈；5、弹性测力元件；51、贯通孔；52、应变测量部；6、套筒；7、第三密封圈；8、密封端子；9、作动器连接件；91、通孔；10、高压釜；11、水；12、油液；13、全桥电路；14、第二密封圈；15、第一密封圈。

具体实施方式

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

请参阅图1-2，本申请第一方面的实施例提供了一种用于高温高压水环境的测力传感器，包括：套筒6、弹性测力元件5、全桥电路13、活塞2、密封端子8、试样连接件1和作动器连接件9。

其中，所述套筒6设置在高压釜10内，所述高压釜10内充满高温的水11。具体地，高压釜10内的压力为20MPa，高压釜10内水11的温度为350℃。也就是说，本申请实施例提供的测力传感器能够用于高温高压的水环境。

所述弹性测力元件5的两端均设有开口。所述弹性测力元件5沿所述套筒6的轴线方向贯穿设置在所述套筒6内，且所述弹性测力元件5设有垂直于自身轴线方向的贯通孔51，所述贯通孔51内设有应变测量部52。所述应变测量部52能够在在外力和非均匀温度场等因素作用下产生变形，所述应变测量部52用于感应下述的试样连接件1传递的力的数值变化。

所述全桥电路13设置在所述贯通孔51内，所述全桥电路13包括至少一组高温应变片(图中未标示)，所述高温应变片粘贴在所述应变测量部52上。所述高温应变片用于随所述应变测量部52发生的应变而随之发生变形。

所述活塞2压入在所述弹性测力元件5的其中一端的开口内。

具体地，在本实施例中，所述弹性测力元件5为在圆柱形管道上挖设所述贯通孔51而形成的部件，与之适应的，所述活塞2也为圆柱状。

所述密封端子8压入在所述弹性测力元件5的另一端的开口内，所述密封端子8与所述全桥电路13电连接，且所述密封端子8与所述弹性测力元件5的内壁密封连接。

所述密封端子8、所述活塞2、所述弹性测力元件5与所述套筒6共同围成一密封腔(图中未标示)。容易理解地，所述密封腔包括所述贯通孔51及所述弹性测力元件5内由所述密封端子8和所述活塞2围成的部分通道。所述密封腔内注满绝缘的油液12，所述活塞2能够在所述密封腔内外的压差作用下于所述密封腔内移动。

容易理解地，为了保证所述全桥电路13能够在所述密封腔内正常工作，不受腐蚀，所述全桥电路13表面需经过特定的防护处理。例如，可以在所述全桥电路13的表面包覆防护膜。

所述试样连接件1安装在所述弹性测力元件5上设有所述活塞2的一端上，所述试样连接件1用于直接与需要测量的试样连接，且所述试样连接件1能够将试样所受的力传递到所述应变测量部52。

所述作动器连接件9安装在所述弹性测力元件5设有所述密封端子8的一端上，所述作动器连接件9用于限制所述密封端子8脱离所述弹性测力元件5。

本申请第一方面实施例提供的用于高温高压水环境的测力传感器，当被测容器内的液体压力增加时，活塞会向密封腔内移动，密封腔内体积变小，压强增加，直到被测容器内的液体压力与密封腔内的油液压力相等时活塞才停止运动；反之，活塞则会向密封腔外移动以平衡被测容器内的液体压力。如此，本申请实施例提供的测力传感器通过活塞的往复移动就可以自动平衡密封腔内外的压力，提高了测力传感器在不同水压工况下的测量精度和适应性能，使得测力传感器能应用于高压环境。并且，本申请实施例提供的测力传感器，设置全桥电路的高温应变片粘贴在应变测量部上，通过全桥电路的补偿特性保证了测力传感器在高温环境下的测量准确性。同时，测力传感器的试样连接件直接与试样连接，而试样连接件则安装在弹性测力元件上，使得弹性测力元件的应变测量部能够直接感应到由试样传递给试样连接件的力的数值变化，而通过密封腔内设置的全桥电路以及与之电连接的密封端子便能测得试样上的力值并向外界输出，从而实现作用在试样上的力值的直接测量，而不必像现有技术中那样通过设置在高压釜外部的传感器进行间接测量，消除了现有技术中运动轴与密封件之间的摩擦力对试验数据的影响，保证了测量的准确性。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述套筒6与所述弹性测力元件5之间设有第一密封圈15。

通过设置所述第一密封圈15，能够使所述套筒6与所述弹性测力元件5实现密封连接，以避免在此二者的连接位置产生泄露。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述试样连接件1为筒状，所述试样连接件1套装在在所述弹性测力元件5设有所述活塞2的一端上，且所述试样连接件1与所述弹性测力元件5之间设有第二密封圈14。

通过将所述试样连接件1设置为筒状，能够便于将所述试样连接件1套装在所述弹性测力元件5上，从而方便所述试样连接件将试样上的力值传递给所述弹性测力元件5；通过设置所述第二密封圈14，能够使所述试样连接件1与所述弹性测力元件5实现密封连接，以避免在此二者的连接位置产生泄露。

在其他实施例中，所述试样连接件1也可以为其他形状，只要其能够实现直接测量作用在试样上的力值即可，不对其具体形状加以限制。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述作动器连接件9为筒状，所述作动器连接件9套装在在所述弹性测力元件5设有所述密封端子8的一端上，且所述作动器连接件9与所述弹性测力元件5之间设有第三密封圈7。

通过将所述作动器连接件9设置为筒状，能够便于将所述作动器连接件9套装在所述弹性测力元件5上；通过设置所述第三密封圈7，能够使所述作动器连接件9与所述弹性测力元件5实现密封连接，以避免在此二者的连接位置产生泄露。

在其他实施例中，所述作动器连接件9也可以为其他形状，只要其能够阻挡密封端子8从所述弹性测力元件5上脱离即可，不对其具体形状加以限制。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述用于高温高压水环境的测力传感器还包括第四密封圈4，所述第四密封圈4沿所述套筒6的轴线方向设置在所述试样连接件1与所述套筒6之间以及所述套筒6与所述作动器连接件9之间。

通过设置所述第四密封圈4，能够防止所述套筒6在高压釜10的液体中产生横向串动，从而保证所述测力传感器的使用稳定性。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述活塞2的外周面上设有环状凹槽(图中未标示)，所述环状凹槽内安装有第五密封圈3，所述第五密封圈3与所述弹性测力元件5的内壁密封接触。

通过设置所述第五密封圈3，能够使得所述活塞2与所述弹性测力元件5实现密封连接，以避免在此二者的连接位置产生泄露，从而保证了所述密封腔的密闭性能良好，这有利于使所述测力传感器获得准确的测量结果。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述全桥电路13由四组所述高温应变片组成，四组所述高温应变片均通过粘贴剂粘贴在所述应变测量部上。

全桥电路即惠斯通电路，惠斯通电路自身具备温度补偿功能，且通过灵敏度温度补偿、灵敏度补偿、零点平衡补偿和零点温度补偿，能够保证所述测力传感器在高温水环境下的测量准确性。四组所述高温应变片粘贴在所述应变测量部52上，从而能够在所述应变测量部52由于受到所述试样连接件1传递的试样上的力值变化而发生应变后也随之发生变形，进而能够改变所述全桥电路13的电信号输出值，以使得与所述全桥电路13电连接的所述密封端子8能够向外输出对应的电信号。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述密封端子8设有信号连接线(图中未标示)，所述作动器连接件9设有通孔91，所述信号连接线由所述通孔91向外伸出并与外界的信号采集设备(图中未示出)连接。

所述信号连接线将所述密封端子8从所述全桥电路13处接收到的电信号输送给外界的信号采集设备，从而使得外界的信号采集设备能够显示最终的数据测量结果，便于观测。

请参阅图1-2，在一实施例中，所述密封端子8与所述全桥电路13之间通过桥路电缆(图中未标示)实现电连接。

通过桥路电缆连接所述密封端子8与所述全桥电路13，能够保证所述全桥电路13产生的电信号稳定输出给密封端子8，而且也便于加工制造。

与本申请第一方面实施例提供的用于高温高压水环境的测力传感器相对应，本申请第二方面实施例提供了一种用于高温高压水环境的测力传感器的装配方法，包括以下步骤：

用桥路电缆连接密封端子8与弹性测力元件5内的全桥电路13，并使所述密封端子8位于所述弹性测力元件5的外部；

将套筒6通过第一密封圈15与所述弹性测力元件5配合安装；

将套设有第五密封圈3的活塞2压入所述弹性测力元件5远离所述密封端子8的一端的开口内，其中，此时的所述活塞2压入所述弹性测力元件5的深度大于所述用于高温高压水环境的测力传感器在完成装配后所述活塞2压入的深度；

旋转所述弹性测力元件5，使其未压入所述活塞2的一端朝外，向所述弹性测力元件5内注入绝缘的油液12；

将所述密封端子8压入所述弹性测力元件5远离所述活塞2的一端的开口内，并使得所述密封端子8的外端面与所述弹性测力元件5的外端面平齐；

安装所述试样连接件1与所述第二密封圈14，安装所述作动器连接件9与所述第三密封圈7，并安装所述第四密封圈4；

在力标准机上对所述用于高温高压水环境的测力传感器进行拉压双向检定，获得所述用于高温高压水环境的测力传感器的精度指标。

容易理解地，要使所述密封端子8位于所述弹性测力元件5的外部，则所述桥路电缆必须预留有能够使所述密封端子8位于所述弹性测力元件5外部的额外长度。

容易理解地，在所述密封端子8压入所述弹性测力元件5后，所述活塞2会因此而向外退出一定的距离，所以在初始安装所述活塞2时，其压入所述弹性测力元件5内的深度必须大于装配完成后压入的深度。

需要说明的是，所述试样连接件1、所述第二密封圈14、所述作动器连接件9、所述第三密封圈7与所述第四密封圈4的安装顺序不做限定。

本申请第二方面实施例提供的用于高温高压水环境的测力传感器的装配方法，可以保证密封腔内注满绝缘的油液，从而使得密封腔内并不存在空气残留，从而可以使得本申请实施例提供的测力传感器的使用性能更佳。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本申请的具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限定。任何根据本申请的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，包括：

套筒，所述套筒设置在高压釜内；

弹性测力元件，所述弹性测力元件的两端均设有开口，所述弹性测力元件沿所述套筒的轴线方向贯穿设置在所述套筒内，且所述弹性测力元件设有垂直于自身轴线方向的贯通孔，所述贯通孔内设有应变测量部；

全桥电路，所述全桥电路设置在所述贯通孔内，所述全桥电路包括至少一组高温应变片，所述高温应变片粘贴在所述应变测量部上；

活塞，所述活塞压入在所述弹性测力元件的其中一端的开口内；

密封端子，所述密封端子压入在所述弹性测力元件的另一端的开口内，所述密封端子与所述全桥电路电连接，且所述密封端子与所述弹性测力元件的内壁密封连接；所述密封端子、所述活塞、所述弹性测力元件与所述套筒共同围成一密封腔，所述密封腔内注满绝缘的油液，所述活塞能够在所述密封腔内外的压差作用下于所述密封腔内移动；

试样连接件，所述试样连接件安装在所述弹性测力元件设有所述活塞的一端上，所述试样连接件用于直接与需要测量的试样连接，且所述试样连接件能够将试样所受的力传递到所述应变测量部；以及

作动器连接件，所述作动器连接件安装在所述弹性测力元件设有所述密封端子的一端上，所述作动器连接件用于限制所述密封端子脱离所述弹性测力元件。

2.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述套筒与所述弹性测力元件之间设有第一密封圈。

3.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述试样连接件为筒状，所述试样连接件套装在在所述弹性测力元件设有所述活塞的一端上，且所述试样连接件与所述弹性测力元件之间设有第二密封圈。

4.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述作动器连接件为筒状，所述作动器连接件套装在在所述弹性测力元件设有所述密封端子的一端上，且所述作动器连接件与所述弹性测力元件之间设有第三密封圈。

5.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述用于高温高压水环境的测力传感器还包括第四密封圈，所述第四密封圈沿所述套筒的轴线方向设置在所述试样连接件与所述套筒之间以及所述套筒与所述作动器连接件之间。

6.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述活塞的外周面上设有环状凹槽，所述环状凹槽内安装有第五密封圈，所述第五密封圈与所述弹性测力元件的内壁密封接触。

7.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述全桥电路由四组所述高温应变片组成，四组所述高温应变片均通过粘贴剂粘贴在所述应变测量部上。

8.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述密封端子设有信号连接线，所述作动器连接件设有通孔，所述信号连接线由所述通孔向外伸出并与外界的信号采集设备连接。

9.根据权利要求1所述的用于高温高压水环境的测力传感器，其特征在于，所述密封端子与所述全桥电路之间通过桥路电缆实现电连接。

10.一种用于高温高压水环境的测力传感器的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

用桥路电缆连接密封端子与弹性测力元件内的全桥电路，并使所述密封端子位于所述弹性测力元件的外部；

将套筒通过第一密封圈与所述弹性测力元件配合安装；

将套设有第五密封圈的活塞压入所述弹性测力元件远离所述密封端子的一端的开口内，其中，此时的所述活塞压入所述弹性测力元件的深度大于所述用于高温高压水环境的测力传感器在完成装配后所述活塞压入的深度；

旋转所述弹性测力元件，使其未压入所述活塞的一端朝外，向所述弹性测力元件内注入绝缘的油液；

将所述密封端子压入所述弹性测力元件远离所述活塞的一端的开口内，并使得所述密封端子的外端面与所述弹性测力元件的外端面平齐；

安装试样连接件与第二密封圈，安装作动器连接件与第三密封圈，并安装第四密封圈；

在力标准机上对所述用于高温高压水环境的测力传感器进行拉压双向检定，获得所述用于高温高压水环境的测力传感器的精度指标。