CN207231688U - 一种测量悬臂支撑件受力的座式传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测量悬臂支撑件受力的座式传感器，将4组应变片均布在筒形壳体的壁面上，将4组测量数据求和得到轴向力的测量值，两相对应变片的测量数据求差得到两个分力矩的测量值，将两个分力矩进行矢量和可以得到力矩和力矩方向，根据力臂长度可以得到横向剪力的大小，该传感器包括：含有法兰连接面的筒形壳体、应变片及测量电路等，应变片贴于筒形壳体壁面上，法兰连接面用于自身固定以及与悬臂支撑件连接，本实用新型将力及力矩的测量功能集成在一个传感器中。

Description

一种测量悬臂支撑件受力的座式传感器

技术领域

本实用新型涉及一种悬臂支撑件受力的测量方法及其传感器，用于测量悬臂支撑件所受力和力矩。

背景技术

悬臂支撑的端部承受横向力时，其悬臂长度方向均会不同程度的受到弯矩的作用，其间的任何一个环节均可能因结构薄弱而受到破坏，在横向力可控的情况下，检测弯矩进而限制横向力可以避免结构失效，在曲面支撑的应用中，支柱的顶端支撑力作用在被支撑曲面上，其受力方向在曲面法向上，对于悬臂支撑结构的支柱在不同轴向位置承载的力矩不同，其连接包括与基础的连接、调节支撑高度的传动及导向等，各环节均会因不同的载荷，不同的调节高度导致其所受的弯矩不同，悬伸量较小时，横向力即便较大其力矩也较小，弯矩对结构的影响相对较弱，而轴向力由支撑高度的传动环节承担，轴向力为主要限制对象，悬伸量较大时，横向力越大力矩越大，弯矩对结构的影响突显出来，轴向力虽仍存在，但比起弯矩的影响却较弱，此刻，横向力变成主要限制对象，所以检测力和弯矩成为必要。

电阻应变式传感器是目前测力传感器中应用最多的一种，它的主要特性是准确度高，非线性及滞后误差小，蠕变小，使用寿命长。并且其对传感器的零点平衡、温度漂移以及输出标准化的定位点都进行了全面的补偿。现有的二维测力传感器采用在传感器的不同位置粘贴两种电阻应变片的方式实现轴向力和横向力的测量，但由于横向力造成的应变片的变形量较小.输出灵敏度和准确度都较低。二维测力传感器使用的应变片较多，这不仅对应变片的制作及贴装工艺有很高的要求，而且其它部件的制作精度也有很大的依赖，所以误差也就随之增大。六维力传感器由于结构、刚度、维间耦合、干扰力等因素导致精度很低，大概在1％左右，而一般的负重传感器即一维传感器的精度可达到0.01％～0.02％PP。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种检测悬臂支撑件所受轴向力与力矩的传感器，不仅能克服使用应变片过多、输出灵敏度不高、对环境依赖相对较高，精度可控性差等问题，还能够有效地缩短施工周期，延长使用寿命。其能够测量三维空间除绕Z轴(筒形轴心线)的两个力矩以及轴向力，属于三维力传感器(Z轴力、X轴力矩、Y轴力矩)。该传感器包括：含有法兰连接面的筒形壳体、应变片及测量电路等，应变片一共4组均匀布置于筒形壳体内壁中段减薄处，减薄的目的是使筒形壳体的应变足够大以便于提高传感器的灵敏度。相邻两个应变片成90°分布，相隔的两个应变片相对成180°分布。两个法兰连接面分别用于与底座同定和与悬臂支撑件连接，本实用新型将力及力矩的测量功能集成在一个传感器中。由于4组应变片均布在筒形壳体的壁面上，当悬臂支撑件端部同时承受轴向力和横向力时，应变片因产生应变促使电阻发生变化，测量电路将电阻的变化转变成电压的变化，最终间接的得到轴向力的大小以及力矩的大小和方向，将4组测量数据求和得到轴向力的测量值，两相对应变片的测量数据求差得到两个分力矩的测量值，将两个分力矩进行矢量和可以得到力矩大小和方向，根据悬臂支撑件力臂长度还可以进一步得到横向剪力的大小，进而可以得到悬臂支撑件任意位置的弯矩大小，便于进行结构安全控制。

附图说明

图1为悬臂支撑件(1)及力传感器(2)组合示意图，力传感器(2)通过法兰盘分别与悬臂支撑件(1)和底座(3)进行连接和固定，悬臂支撑件端部为一球形座，用来承载曲面，两物体接触，其作用力在接触点的处，并在接触面的法向上，因此必定会对悬臂件产生轴向力与横向力，通过传感器可测量轴向力与和由横向力产生的力矩。

图2为力传感器(2)的2维视图之一，为从传感器底面向上观察的视图，图3为力传感器(2)的2维视图之通过中心轴线的剖视图，图2中4、5、6、7所指4个位置为4个应变片所处的位置，其中心为参照坐标，位置相差90°，图3中8所指位置为应变片在轴向所处的位置，为筒形壁厚最薄处，最薄处上下至法兰面其厚度逐渐变化以避免结构应力集中对测量的影响，应变片通过粘接固定在筒形传感器内壁上，以免应变片受到碰撞损伤，筒形传感器的两端设有法兰盘，同时筒形壳体内壁中段明显减薄，减薄的目的是使筒形壳体的应变足够大以便于提高传感器的灵敏度。

具体实施方式

图1中，传感器的安装位置在悬臂支撑件的根部，对于悬臂支撑件根部负载弯矩最大，根部弯矩最易检测，因此传感器以座式结构安装在悬臂支撑件的根部，传感器的上端法兰面与悬臂支撑件连接，下端法兰面连接到基础上，本实施例通过底座连接，即传感器的下端法兰面连接到底座的上安装面上，再将底座与基础固定，这样的优点是，底座上表面可以加工得平整，避免传感器因固定产生附加的应力影响检测，悬臂支撑件顶端为球形座，承载时，悬臂支撑件端部必然会受到轴向力和横向力，为避免结构薄弱部位因受力或弯矩过大发生变形甚至断裂，采用根部的传感器感知以控制，避免发生安全问题。

图2中应变片粘贴在内侧壁面上以避免使用中应变片受到机械损伤，相邻两个应变片成90°分布，相隔的两个应变片相对成180°分布，应变片采用四驱桥连接方式，通过测量电路将电阻的变化转变为力的变化，图3中显示传感器的筒壁粘贴应变片的位置较薄，以便于可以发生较大的应变，便于检测，较薄处向法兰过渡时，为免在厚度突变时发生应力集中殃及到传感器测量点影响测量精度，在粘贴应变片的上下两侧筒壁的壁厚逐渐增大过渡到法兰处。

将四组应变片的测量数值求和可以得到轴向力的大小，将2组相对的应变片测量数据分别求差，可以得到两个力矩，将它们进行矢量求和，便可得到总力矩的大小和方向，根据悬臂支撑件任意位置到支撑接触点的垂向距离，即可得到悬臂支撑件任意位置的力矩，进而可以根据悬臂支撑件结构薄弱部位的限制对载荷进行限制或控制。

Claims (6)

1.一种测量悬臂支撑件受力的座式传感器，其特征在于由带法兰连接面的筒形壳体、应变片、测量电路组成，应变片粘贴在筒形壳体的内壁上，并与测量电路相连接。

2.根据权利要求1所述的座式传感器，其特征在于：应变片一共4组均匀布置于筒形壳体内壁上，相邻两个应变片成90°分布，相隔的两个应变片相对成180°分布。

3.根据权利要求1所述的座式传感器，其特征在于：筒形壳体轴向两端设有法兰盘，用于自身固定以及与悬臂支撑件连接。

4.根据权利要求1所述的座式传感器，其特征在于：筒形壳体为圆筒形，圆筒形筒壁中段用来粘贴应变片的位置壁厚较其他位置都薄，薄壁的上下两端壁厚逐渐增大向法兰侧过渡。

5.根据权利要求1或2所述的座式传感器，其特征在于：将4组应变片的测量数据求和可以得到轴向力的测量值，相对两组应变片的测量数据求差可以得到两个相互垂直的分力矩的测量值，将此两个分力矩进行矢量和可以得到力矩和受力方向。

6.根据权利要求1或2所述的座式传感器，其特征在于：4组应变片连接采用四驱桥方式。