CN117760597A - 一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器、安装方法及检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器、安装方法及检测电路，其中一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，包括附着在受力机械结构表面的壳体、设置在所述壳体内且可随其同步形变的钢丝弹簧、固定在所述壳体内的电路板，所述电路板上设有与所述钢丝弹簧电性连接且用于将其形变输出为电信号的检测电路。本发明安装调试方便，信号输出兼容性好，抗干扰能力强，附着式安装传感器直接测量结构形变，信号直接表征受力结构的形变量。

Description

一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器、安装方法及检测 电路

技术领域

本发明涉及受力传感器技术领域，尤其涉及一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器、安装方法及检测电路。

背景技术

现有对金属机械结构受力面的受力测量大多采用外加成品传感器的方式，成品传感器对力的测量大多采用惠斯通电桥的方式，受力形变的弹性元件材质为合金，电桥输出为微弱的差分电压信号(其它信号均为差分电压信号进行转换而得)。

市场现有的普遍方案的缺点主要有：

1、测量的信号为间接测量，不是直接测量的结构形变量，不适用于结构监测的场合。

2、传感器外加在受力机构上，精度较低，且精度易受安装影响。

3、某些场合传感器安装极为不便，需要替换原机械结构的部分部件，拆装工作量大。

4、信号电压为毫伏级，极易受外部电场、磁场的干扰。

市场上另有部分成品传感器采用光纤、光栅等方式进行形变测量，因电路复杂，价格较高，难以普及。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器、检测电路及安装方法。

根据本发明的实施例，提供一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，包括附着在受力机械结构表面的壳体、设置在所述壳体内且可随其同步形变的钢丝弹簧、固定在所述壳体内的电路板，所述电路板上设有与所述钢丝弹簧电性连接且用于将其形变输出为电信号的检测电路。

优选的，所述壳体为一面设有开口的长方体结构，与其开口相对的侧面为受力面，所述受力面两侧为焊接面，其开口处还可拆卸连接有盖体，所述钢丝弹簧的轴线与所述受力面平行。

进一步优选的，所述壳体内固定连接有两个与所述受力面垂直的绝缘层，所述钢丝弹簧设置在两个所述绝缘层之间，且其两端分别与所述绝缘层固定连接。

进一步优选的，两个所述绝缘层平行且与所述受力面垂直。

再进一步优选的，所述钢丝弹簧的轴线垂直于所述绝缘层。

钢丝弹簧作为弹性元件，温度特性好，重复性好。钢丝弹簧因受力产生微形变，在电路中作为电感元件，形变引起电感量的改变。

根据本发明的实施例，还提供一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将壳体的受力面与受力机械结构的表面贴合完整；

步骤二，将壳体的焊接面与受力机械结构的表面焊接相连。

优选的，所述步骤一中，钢丝弹簧的轴线与受力机械结构弯曲形变的挠曲线位于同一平面内。

传感器壳体焊接于受力机械结构的表面上，即附着式安装方式。当机械结构受力产生形变，使传感器壳体受力面发生形变，从而带动内置钢丝弹簧等传感器元件发生形变，改变钢丝弹簧的电感，使得输出信号发生改变。

根据本发明的实施例，还提供一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的检测电路，包括振荡电路、分压电阻、比较器；

所述振荡电路包括三极管Q、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5、钢丝弹簧L2；

所述三极管Q的基极与所述第一电阻R1、所述第二电阻R2的一端连接，所述第一电阻R1的另一端连接电源，所述第二电阻R2的另一端接地；

所述三极管Q的集电极与电源连接并与所述第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第二电容C2、所述钢丝弹簧L2的一端连接并还与所述比较器连接；

所述三极管Q的发射极与所述第二电容C2的另一端连接并还与所述第三电阻R3、所述第四电容C4、所述第五电容C5的一端连接，所述第三电阻R3、所述第四电容C4、所述第五电容C5的另一端接地；

所述分压电阻包括第四电阻R4、第五电阻R5，所述比较器与所述第四电阻R4、所述第五电阻R5的一端连接，所述第四电阻R4的另一端连接电源，所述第五电阻R5的另一端接地。

优选的，所述三极管Q的集电极通过可调电感L1与电源连接。

进一步优选的，所述三极管Q的基极还通过第六电容C6接地。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

振荡电路接通电源后，电流从无到有变化，产生脉冲信号。在脉冲信号中有许多不同频率的谐波，此时LC谐振回路起到选频作用，当LC谐振回路与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。通过电路的正反馈振荡幅度不断增大，晶体管进入非线性区，此时放大器放大倍数减小，最后达到平衡，振荡幅度不再变化。振荡波信号输出波形接近正弦波；电路的频率稳定度较高，工作频率范围较大。正弦波经比较器调节，输出方波，频率即表征实际物理量的变化，可用于金属材料的横梁、底座等结构应力检测，起重机载荷测量等场合。

附图说明

图1为本发明一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的结构示意图；

图2为本发明一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的检测电路示意图；

上述附图中：1、壳体；101、受力面；102、焊接面；103、盖体；104、调节孔；105、出线孔；2、钢丝弹簧；3、电路板；4、绝缘层；5、受力机械结构。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

实施例一：

如图1所示，提供一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，包括附着在受力机械结构5表面的壳体1、设置在所述壳体1内且可随其同步形变的钢丝弹簧2、固定在所述壳体1内的电路板3，本实施例中，钢丝弹簧为不锈钢材质06cr19ni10，使用温度范围-250～290℃，所述电路板上设有与所述钢丝弹簧2电性连接且用于将其形变输出为电信号的检测电路；

在壳体1因为受力机械机构发生受力产生形变后，壳体1带动钢丝弹簧2发生形变，钢丝弹簧2同时作为接入到检测电路中的电感，在其发生形变时，其电感也会产生变化，因此使得检测电路输出的信号发生变化，能够比较准确的确定其形变量与检测电路输出信号之间的关系。

为了便于壳体1准确的随动机械结构5产生形变，在进一步的实施方式中，所述壳体1为一面设有开口的长方体结构，与其开口相对的侧面为受力面101，所述受力面101两侧为焊接面102，在两侧设置磨砂面焊接区域，能够使得壳体1的受力面101与受力机械结构的表面充分贴合，避免出现较大的缝隙，而影响测量的准确度；其开口处还可拆卸连接有盖体103，所述钢丝弹簧2的轴线与所述受力面101平行。

具体的，所述壳体1内固定连接有两个间隔设置的绝缘层4，所述钢丝弹簧2设置在两个所述绝缘层4之间，且其两端分别与所述绝缘层4固定连接，壳体1随着受力机械结构5产生弯曲形变时，两个绝缘层4之间的距离发生改变，从而改变钢丝弹簧2的形变量，且其形变的程度与壳体1形变程度正相关。

为了提高钢丝弹簧2感受形变的灵敏度，在进一步的实施方式中，两个所述绝缘层4平行且与所述受力面101垂直。

为了进一步的提高钢丝弹簧2感受形变的灵敏度，在更进一步的实施方式中，所述钢丝弹簧2的轴线垂直于所述绝缘层4。

实施例二：

还提供一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的安装方法，包括以下步骤：

步骤一，将壳体1的受力面101与受力机械结构的表面贴合完整；

步骤二，将壳体1的焊接面102与受力机械结构的表面焊接相连。

由于钢丝弹簧2在轴向受力时具有更灵敏的形变，在受力机械结构5表面产生形变时，为了使得该形变能够最大程度的反应在钢丝弹簧2上，在进一步的实施方式中，所述步骤一中，钢丝弹簧2的轴线与受力机械结构弯曲形变的挠曲线位于同一平面内，此时，相同的形变状态下，钢丝弹簧2沿轴向的形变最为明显，因此其电感的变化也比较明显。

实施例三：

还提供一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的检测电路，包括振荡电路、分压电阻、比较器，比较器为集成芯片；

所述振荡电路包括三极管Q、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5、钢丝弹簧L2；

所述三极管Q的基极与所述第一电阻R1、所述第二电阻R2的一端连接，所述第一电阻R1的另一端连接电源，所述第二电阻R2的另一端接地；

所述三极管Q的集电极与电源连接并与所述第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第二电容C2、所述钢丝弹簧L2的一端连接并还与所述比较器连接；

所述三极管Q的发射极与所述第二电容C2的另一端连接并还与所述第三电阻R3、所述第四电容C4、所述第五电容C5的一端连接，所述第三电阻R3、所述第四电容C4、所述第五电容C5的另一端接地；

所述分压电阻包括第四电阻R4、第五电阻R5，所述比较器与所述第四电阻R4、所述第五电阻R5的一端连接，所述第四电阻R4的另一端连接电源，所述第五电阻R5的另一端接地；

本实施例中电源供电电压范围为DC5V～DC32V，具有精度高、稳定性好、寿命长、成本低等优点；

电路上电后，通过Q基极的电流逐渐增大，电流通过L1，流向Q集电极，Q由截止区进入放大区，并对C4、C5充电，使C4、C5两端的电压逐渐上升，Q发射极电压即上升；

当C4、C5充电饱和，电流将流过R3直流通路，Q进入饱和工作区；

上述放大回路工作的同时，电流流过L1，对C1、C2和L2进行充电，使C2、L2连接点(即振荡电路的输出口)的电压逐渐上升，形成起始脉冲信号的上升沿；

Q进入饱和工作区后，R1、R2、R3、Q1形成直流通路，确定了电路的静态工作点；

经过上述过程，上电过程完成，输出脉冲信号的上升沿形成，因为脉冲信号中有许多不同频率的谐波，根据电感、电容的特性，钢丝弹簧L2形成的电感允许稳定的电流通过，阻碍变化的电流通过，电容C1、C2、C5与之相反，允许变化的电流通过，阻碍稳定的电流通过，两种特性的器件组合，形成允许一定频率信号通过的选频回路；

与选频回路频率匹配的电流信号将通过Q的发射极的反馈给三极管Q，使Q发射极电压下降，由于最开始通电时回路使该点电压上升，此时该点电压下降，即形成了振荡；

振荡形成后整个电路即进入上述选频回路确定的频率工作，只有钢丝弹簧L2的感值发生变化时，L2两端的正弦波频率才发生改变；

L2两端的正弦波信号与基准电压比较，当正弦波信号的电压高于基准电压时，比较器输出高电平，正弦波信号的电压低于基准电压时，比较器输出低电平，即输出脉冲方波；

方波的频率即与正弦波信号的频率一致，此频率即表征实际物理量的变化，信号频率为其中C＝C2*C5/(C2+C5)，L＝L2，又由于钢丝弹簧L2的拉升或压缩程度表征了电感的感值，感值即确定了信号的频率。

为了便于调试测量电路的输出，在进一步的实施方式中，所述三极管Q的集电极通过可调电感L1与电源连接，盖体1上设有对应可调电感L1的调节孔104，和对应电路板3的出线孔。

所述三极管Q的基极还通过第六电容C6接地。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，其特征在于，包括附着在受力机械结构表面的壳体(1)、设置在所述壳体(1)内且可随其同步形变的钢丝弹簧(2)、固定在所述壳体(1)内的电路板(3)，所述电路板上设有与所述钢丝弹簧(2)电性连接且用于将其形变输出为电信号的检测电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，其特征在于，所述壳体(1)为一面设有开口的长方体结构，与其开口相对的侧面为受力面(101)，所述受力面(101)两侧为焊接面(102)，其开口处还可拆卸连接有盖体(103)，所述钢丝弹簧(2)的轴线与所述受力面(101)平行。

3.根据权利要求2所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，其特征在于，所述壳体(1)内固定连接有两个间隔设置的绝缘层(4)，所述钢丝弹簧(2)设置在两个所述绝缘层(4)之间，且其两端分别与所述绝缘层(4)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，其特征在于，两个所述绝缘层(4)平行且与所述受力面(101)垂直。

5.根据权利要求4所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器，其特征在于，所述钢丝弹簧(2)的轴线垂直于所述绝缘层(4)。

6.一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将壳体(1)的受力面(101)与受力机械结构的表面贴合完整；

步骤二，将壳体(1)的焊接面(102)与受力机械结构的表面焊接相连。

7.根据权利要求6所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的安装方法，其特征在于，所述步骤一中，钢丝弹簧(2)的轴线与受力机械结构弯曲形变的挠曲线位于同一平面内。

8.一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的检测电路，其特征在于，包括振荡电路、分压电阻、比较器；

所述振荡电路包括三极管Q、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第二电容C2、第四电容C4、第五电容C5、钢丝弹簧L2；

所述三极管Q的基极与所述第一电阻R1、所述第二电阻R2的一端连接，所述第一电阻R1的另一端连接电源，所述第二电阻R2的另一端接地；

所述三极管Q的集电极与电源连接并与所述第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第二电容C2、所述钢丝弹簧L2的一端连接并还与所述比较器连接；

所述三极管Q的发射极与所述第二电容C2的另一端连接并还与所述第三电阻R3、所述第四电容C4、所述第五电容C5的一端连接，所述第三电阻R3、所述第四电容C4、所述第五电容C5的另一端接地；

所述分压电阻包括第四电阻R4、第五电阻R5，所述比较器与所述第四电阻R4、所述第五电阻R5的一端连接，所述第四电阻R4的另一端连接电源，所述第五电阻R5的另一端接地。

9.根据权利要求8所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的检测电路，其特征在于，所述三极管Q的集电极通过可调电感L1与电源连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于钢丝弹簧的附着式受力传感器的检测电路，其特征在于，所述三极管Q的基极还通过第六电容C6接地。