CN1301396C - 量程可机械调理的应变传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应变测量传感器技术领域，特别是一种量程可机械调理的应变传感器及其制造方法。该应变传感器由一个应变传送杆、测量槽、四个应变片、固定端基座和可调端基座组成。测量槽的上、下表面的轴向和横向上分别贴有一个应变片，这两个应变片都以测量槽的轴线对称，这种粘贴方法可有效的抑制铅垂向、横向上由应力引起的干扰。测量槽和应变传送杆的技术参数，通过改变测量槽和应变传送杆的截面积之比以及测量槽和应变传送杆的长度之比来确定，可以从机械上对被测对象的应变进行放大和缩小，以配合应变片的量程。它能有效的解决大变形对象和小变形对象的应变测量问题。

Description

量程可机械调理的应变传感器及其制造方法

技术领域：

本发明涉及应变测量传感器技术领域，特别是一种量程可机械调理的应变传感器及其制造方法。

背景技术：

应变传感器广泛应用于固体材料的变形测量领域。作为该型传感器的灵敏元件，应变片的量程具有一定的工程限制；而被测对象的形变程度随工作状况不同又很大的差异。因此，在具体的工程应用过程中，很难实现应变片量程和被测对象变形的匹配。对于变形小的被测对象，测量信号比较微弱，虽然可以对这种微弱信号进行电气放大，然而这种方法不能提高信号的信噪比；对于变形大的被测对象，会造成应变片局部脱粘滑动甚至脱落，直接影响测量精度。因此，有必要研制一种新型变形可调理的应变传感器，来克服以上困难。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种量程可机械调理的应变传感器及其制造方法，该应变传感器能有效地对被测对象的形变进行机械调理，使其和选定的应变片的量程相匹配，提高测量精度。

本发明的目的由以下技术方案来实现：

该量程可机械调理的应变传感器包括固定端基座、可调端基座、应变传送杆、测量槽，其特征在于：测量槽的上、下表面各贴有两个应变片，两个应变片分别在测量槽的横向和轴向粘贴，且二者相互垂直并沿测量槽的轴线方向对称，测量槽和应变传送杆的结合部加工有倒圆，可调端基座上安装有预调螺母、锁紧螺钉和防扭矩螺钉。

该量程可机械调理的应变传感器的制造方法，除固定端基座、可调端基座、预调螺母、锁紧螺钉和防扭矩螺钉的机械加工及选型外，按如下步骤进行：

a、通过计算或测量来确定被测对象在工作过程中的应变范围，根据计算结果改变测量槽和应变传送杆的截面积之比以及测量槽和应变传送杆的长度之比，从机械上对被测对象的应变进行放大和缩小，以配合应变片的量程；

b、选择一种符合需要的应变片；

c、根据应变片的量程和所确定的被测对象应变范围来计算测量槽的横截面积和应变传送杆的横截面积之比，以及测量槽的长度和应变传送杆的长度之比，其计算公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i}{{\mathrm{\ϵ}}_o}=\frac{1}{(1-K_1)K_2+K_1}=\frac{1}{K_2+K_1(1-K_2)}$

其中：

K为应变的调理比；

ε_i为变形对象实际的应变；

ε_o为应变片的测量应变；

$K_1=\frac{S_1}{S_2},$ S₁为测量槽的横截面积，S₂为应变传送杆的横截面积；

$K_2=\frac{L_1}{L},$ L₁为测量槽的长度，L为测量槽和应变传送杆的长度之和。

依照本案所述方法实现的该结构的量程可机械调理的应变传感器，可广泛应用于固体材料的变形测量领域，它通过改变测量槽和应变传送杆的截面积之比以及测量槽和应变传送杆的长度之比，可以从机械上对被测对象的应变进行放大和缩小，以配合应变片的量程，能有效的解决大变形对象和小变形对象的应变测量问题。

附图说明：

图1为本发明所述量程可机械调理的应变传感器结构示意图主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明应变传感器感应片电原理图。

图4为本发明应变传感器上、下应力干扰示意图。

图5为本发明应变传感器前、后应力干扰示意图。

具体实施方式：

以下结合附图详述本发明。

本发明量程可机械调理的应变传感器由固定端基座1、应变传送杆2、测量槽4、可调端基座5、预调螺母6、锁紧螺钉7、防扭矩螺钉8、应变片10组成，测量时，固定端基座1和可调端基座5可采用螺丝、螺母或焊接方式固定到被测对象上，其几何形状如图1、图2所示。本实施例中的应变传送杆2和测量槽3由铬锰合金钢经过高温调质加工而成，该测量槽3的上、下表面各贴有两个应变片(R₁、R₂、R₃、R₄)10，两个应变片(R₁、R₂或R₃、R₄)10分别在测量槽3的横向和轴向粘贴，且二者相互垂直并沿测量槽3的轴线方向对称，这种粘贴方法可有效的减小铅垂向和横向的应力干扰。测量槽3和应变传送杆2的结合部加工有倒圆3和9，可调端支座5上安装有预调螺母6、锁紧螺钉7和防扭矩螺钉8。通过调节预调螺母6可以设定该应变传感器的初始值，应变传感器的初始值设定完毕之后，调节锁紧螺钉7，可以防止预调螺母6在长时间工作过程中变缓。另外，防扭矩螺钉8可以有效地减小应变传感器在安装过程中产生的扭矩。

本发明量程可机械调理的应变传感器的制造方法是：上述固定端基座1、可调端基座5、预调螺母6、锁紧螺钉7和防扭矩螺钉8由机加工精制而成，测量槽4和应变传送杆2的技术参数要根据应变片10的量程米调节，按如下步骤进行：

a、通过计算或测量米确定被测对象在工作过程中的应变范围；

b、选择一种符合需要的应变片10；

c、根据应变片10的量程和所确定的被测对象应变范围来计算测量槽3的横截面积和应变传送杆2的横截面积之比，以及测量槽3的长度和应变传送杆2的长度之比，其计算公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i}{{\mathrm{\ϵ}}_o}=\frac{1}{(1-K_1)K_2+K_1}=\frac{1}{K_2+K_1(1-K_2)}$

其中：

K为应变的调理比；

ε_i为变形对象实际的应变；

ε_o为应变片的测量应变；

$K_1=\frac{S_1}{S_2},$ S₁为测量槽3的横截面积，S₂为应变传送杆的横截面积；

$K_2=\frac{L_1}{L},$ L₁为测量槽3的长度，L为测量槽3和应变传送杆2的长度之和。

工作原理简述如下：

1、测量范围调理。

本发明作为拉压型传感器使用时，由上述应变调理比K的公式可知，当变形对象实际的应变ε_i一定时，测量槽3的横截面积和应变传送杆2的横截面积之比K₁和应变的调理比K成减函数关系；测量槽3的长度和应变传送杆2的长度之比K₂和应变的调理比K成增函数关系。当测量槽3的横截面积和应变传送杆2的横截面积之比K₁小于1时，应变的调理比K大于1，此时，传感器工作在放大状态，适合小变形对象的测量；当测量槽3的横截面积和应变传送杆2的横截面积之比K₁大于1时，应变的调理比K小于1，此时，传感器工作在缩小状态，适合大变形对象的测量。因此，通过调整K₁或K₂，也可同时调整K₁和K₂，就能相应的调整应变片10所测量应变的范围，最终和应变片10的量程相匹配。

2、干扰抑制。

图1、图2中的四个应变片(R₁、R₂、R₃、R₄)10组成一个电阻全桥，桥路如图3所示，桥路的输出电压为：

$U_o=\frac{U_i}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_4)$

其中：U_i是桥路的输入电压

U_o是桥路的输出电压

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_i}{R},$ 是测量应变，i＝1、2、3、4

ΔR_i是第i个应变片在受到拉伸或压缩时其阻值的变化量，i＝1、2、3、4

R是应变片在平衡状态下的阻值。

当应变片10受到拉伸或压缩时，其阻值就会发生变化，相应的测量应变ε_i也随之发生变化，最终桥路的输出电压U_o也发生变化。

如图4所示，当传感器在上方(下方)的铅垂向受到应力干扰时，应变片R₁受到压缩而应变片R₃受到拉伸，相应的，ε₁减小(增大)而ε₂增大(减小)，二者之和保持不变；同时R₂和R₄不受干扰，相应的ε₃和ε₄保持不变。因此，桥路的输出电压U_o保持不变。

如图5所示，当传感器在前方(后方)的横向受到应力干扰时，应变片R₁和应变片R₃的前(后)半部分受到压缩(拉伸)，而后(前)半部分受到拉伸(压缩)，而总的变形量保持不变，因此，桥路的输出电压U_o保持不变。

基于上述分析，本应变传感器的主要设计步骤应采用上述a、b、c所述之方法。

Claims (2)

1、一种量程可机械调理的应变传感器，包括固定端基座、可调端基座、应变传送杆、测量槽，其特征在于：测量槽的上、下表面各贴有两个应变片，每个表面的两个应变片都分别在测量槽的横向和轴向粘贴，且二者相互垂直并沿测量槽的轴线方向对称，测量槽和应变传送杆的结合部加工有倒圆，可调端基座上安装有预调螺母、锁紧螺钉和防扭矩螺钉。

2、一种制造如权利要求1所述的量程可机械调理的应变传感器的制造方法，包括固定端基座、可调端基座、预调螺母、锁紧螺钉和防扭矩螺钉的机械加工及选型，其特征在于：

a、通过计算或测量来确定被测对象在工作过程中的应变范围，根据计算结果改变测量槽和应变传送杆的截面积之比以及测量槽和应变传送杆的长度之比，从机械上对被测对象的应变进行放大和缩小，以配合应变片的量程；

b、选择一种符合需要的应变片；

c、根据应变片的量程和所确定的被测对象应变范围来计算测量槽的横截面积和应变传送杆的横截面积之比，以及测量槽的长度和应变传送杆的长度之比，其计算公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i}{{\mathrm{\ϵ}}_o}=\frac{1}{(1-K_1)K_2+K_1}=\frac{1}{K_2+K_1(1-K_2)}$

其中：

K为应变的调理比；

ε_i为变形对象实际的应变；

ε_o为应变片的测量应变；

$K_1=\frac{S_1}{S_2},$ S₁为测量槽的横截面积，S₂为应变传送杆的横截面积；

$K_2=\frac{L_1}{L},$ L₁为测量槽的长度，L为测量槽和应变传送杆的长度之和。

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