CN208125047U - 适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，该装置从“等强度梁”延伸而来，由铍青铜材质制成的传感器本体与橡胶(尼龙)缓冲头及安装结构件组成；传感器本体采用具有“有色金属弹性之王”之称的铍青铜材料，经过复杂的理论计算以及实验数据验证制作而成。本实用小型位移传感装置以电阻应变计为转换元件的电阻式位移传感器，具有灵敏度高、稳定性好、构造简单、安装使用方便等特点，并适应较多的工况条件。
Description
技术领域
本实用新型属于高铁轨道位移测试技术领域，特别涉及一种高精度的适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置。
背景技术
众所周知，位移是用来表示物体(质点)的位置变化。定义为：由初位置到末位置的有向线段。其大小与路径无关，方向由起点指向终点。它是一个有大小和方向的物理量，即矢量。直观的形容，位移是一种动态现象，是观察到的某一个物体(质点)位置变化。位移是一种或多种力的作用导致结构中的能量的传递和储存引起的。在轨道交通领域，位移参数测量是一个重要指标，通过位移测量可以为轨道的维护保养提供依据，保证轨道交通的安全、可靠。
随着科学技术的飞速发展，工业化产业技术也在不断前进，时速达到350km/h的高速铁路走进了人们的生活中。与此同时，人们对列车的安全及舒适性提出了更高的要求。高精度的传感器是轨道结构位移监测系统中重要的组成部分，而目前市场上的位移传感器外形尺寸都较大或者达不到轨道结构监测的要求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，具有灵敏度高、稳定性好、构造简单、安装使用方便等特点；适应较多的工况条件，特别适用于本身带有较高电压的被测物体，譬如高速铁路的轨道监测。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
一种适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，其结构为：在传感器安装结构件上固定有安装板，所述安装板端部固定有传感器本体，在传感器本体端部固定有缓冲头；
所述传感器本体采用具有以下性能指标的铍青铜：
抗拉强度：1105Mpa，比重：8.3g/cm3，0.2％屈服强度：1035Mpa，软化温度：930℃，延伸率：1％，弹性模量：128Gpa，硬度：38-44HRC，热导率：105W/m.k 20℃，电导率：18IACS％，热处理硬度：38-60HRC；
所述传感器本体上固定有4个高精度电阻式应变计；4个高精度电阻式应变计分别接入惠斯通电桥的4个电阻位置，即惠斯通电桥采用全桥接法，桥路的四边全部联入高精度电阻式应变计；
测得惠斯通电桥的输出电压e，进而测得物体的位移变化值；计算方法为：△D＝△με/S，式中，△D—表面位移变化量，单位mm；△με—惠斯通电桥输出电压e*1000，即数据采集仪的应变读数；S—位移传感器输出灵敏度，单位με/mm。
进一步的，所述缓冲头的材质为橡胶或者尼龙。
进一步的，所述高精度电阻式应变计是型号为BHF-350-3AA的箔式环氧酚醛基底应变计，其标准电阻值为350Ω。
进一步的，所述传感器本体的外形尺寸为65*20*0.5mm。
进一步的，所述安装板与传感器本体通过螺栓固定。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是；该装置以电阻应变计为转换元件的电阻式位移传感器，具有灵敏度高、稳定性好、构造简单、安装使用方便等特点，适应较多的工况条件，特别适用于本身带有较高电压的被测物体，譬如高速铁路的轨道监测。
附图说明
图1是本实用新型装置整体结构立体图。
图2是本实用新型装置整体结构侧视图。
图3是传感器本体以及应变计的结构示意图。
图4是箔式环氧酚醛基底应变计结构示意图。
图5是等强度梁结构示意图。
图6是等强度梁计算参考图。
图7是惠斯通电桥结构示意图。
图8是本实用新型惠斯通电桥连接示意图。
图中：1-传感器安装结构件；2-安装板；3-螺栓；4-传感器本体；5-缓冲头；6-高精度电阻式应变计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型的目的是这样实现的：以电阻应变计为转换元件的电阻式位移传感器，弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形，电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测得位移量。
弹性敏感元件，即传感器本体4采用牌号C17200的铍青铜，经热处理(固溶处理和时效处理)后，具有与特殊钢(牌号65Mn的弹簧钢)相当的高强度极限、弹性极限、屈服极限和抗疲劳极限，弹性滞后小，同时又具备高的硬度、耐腐蚀、耐低温，非常适合弹性敏感元件的制作。
本实用新型传感器本体4的性能指标为：
抗拉强度(Mpa)：1105；比重(g/cm3)：8.3；屈服强度(0.2％)(Mpa)：1035；软化温度(℃)：930；延伸率(％)：1；弹性模量(Gpa)：128；硬度(HRC)：38-44；热导率(W/m.k20℃)：105；电导率(IACS％)：18；热处理硬度(HRC)：38-60。
本实用新型装置从“等强度梁”延伸而来，由铍青铜材质制成的传感器本体4与橡胶(尼龙)缓冲头5及传感器安装结构件1组成；传感器本体4采用具有“有色金属弹性之王”之称的铍青铜材料，经过复杂的理论计算以及实验数据验证制作而成。本装置以电阻应变计为转换元件的电阻式位移传感器。
如图3所示，传感器本体4发生形变后(量程范围内)，所有点的应变ε都相同(尺寸单位：毫米)。所述传感器本体4包含特殊形状的铍青铜材质结构件及组成惠斯通电桥的高精度电阻式应变计6。
如图5所示，当悬臂端加上一个荷重G后，距加载点距离的断面上弯矩为：Mx＝Gx，相应断面上的最大应力为：σ＝Gx/W；式中：W—抗弯断面模量，断面为矩形。设bx为宽度，高为h，则：W＝bxh2/6，因而σ＝6Gx/bxh2。
所谓等强度，即指各个断面在力的作用下应力相等，即值不变。显然，当梁的高度h不变时，梁的宽度必须随着x的变化而变化，因此bx/x＝6G/σh2。在G、σ、h不变时，bx/x是定值，说明bx随着x线性变化。
由图6可见：bx/x＝2tgα，因此tgα＝3G/αh2。这就是等强度梁的斜率，显然，当载荷确定后，根据梁所选用的材料确定许用应力[σ]，而后合理的选择梁的长度比，就可以求得梁的厚度h，再根据等强度梁的要求求出tgα和α角，加工后就得到等强度梁，即本装置中的传感器本体4。
如图7所示，惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化，应变片的电阻变化也可以用这个电路来测量。如图所示，惠斯通电桥由四个电阻组合而成。如果R1＝R2＝R3＝R4或R1/R2＝R4/R3则无论输入E多大电压，输出电压e总为0，这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。E为桥压，e为Vi+与Vi-之间的电压。
本实用新型位移传感器采用全桥接法。全桥接法也称四应变片法，桥路的四边全部联入应变片，如图8所示，当四条边上的应变片的电阻分别引起如R1+ΔR1,R2+ΔR2,R3+ΔR3,R4+ΔR4的变化时，e＝1/4(ΔR1/R1-ΔR2/R2+ΔR3/R3-ΔR4/R4)。本实用新型位移传感器通过数据采集分析仪测得惠斯通电桥的输出电压e，再代入传感器的灵敏度从而测得物体的位移变化值。计算方法为：△D＝△με/S。式中：△D—表面位移变化量(mm)；△με—惠斯通电桥输出电压e*1000(2V桥压下)，即数据采集仪的应变读数；S—位移传感器输出灵敏度(με/mm)，S为厂家出厂前检验合格并标定得出，为已知值。
本实用新型位移传感器本体尺寸很小，外形尺寸65*20*0.5mm。采用低蠕变，具有自补偿功能电阻应变片。使得该位移传感器非常适合轨道结构位移的监测。
Claims (5)
1.一种适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，包括传感器本体(4)，所述传感器本体采用具有以下性能指标的铍青铜：抗拉强度：1105Mpa，比重：8.3g/cm3，0.2％屈服强度：1035Mpa，软化温度：930℃，延伸率：1％，弹性模量：128Gpa，硬度：38-44HRC，热导率：105W/m.k 20℃，电导率：18IACS％，热处理硬度：38-60HRC，其特征在于，在传感器安装结构件(1)上固定有安装板(2)，所述安装板(2)端部固定有传感器本体(4)，在传感器本体(4)端部固定有缓冲头(5)；
所述传感器本体(4)采用具有以下性能指标的铍青铜：
所述传感器本体(4)上固定有4个高精度电阻式应变计(6)；4个高精度电阻式应变计(6)分别接入惠斯通电桥的4个电阻位置，即惠斯通电桥采用全桥接法，桥路的四边全部联入高精度电阻式应变计(6)；
测得惠斯通电桥的输出电压e，进而测得物体的位移变化值；计算方法为：△D＝△με/S，式中，△D—表面位移变化量，单位mm；△με—惠斯通电桥输出电压e*1000，即数据采集仪的应变读数；S—位移传感器输出灵敏度，单位με/mm。
2.如权利要求1所述的适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，其特征在于，所述缓冲头(5)的材质为橡胶或者尼龙。
3.如权利要求1所述的适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，其特征在于，所述高精度电阻式应变计(6)是型号为BHF-350-3AA的箔式环氧酚醛基底应变计，其标准电阻值为350Ω。
4.如权利要求1所述的适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，其特征在于，所述传感器本体(4)的外形尺寸为65*20*0.5mm。
5.如权利要求1所述的适用于轨道结构位移监测的小型位移传感装置，其特征在于，所述安装板(2)与传感器本体(4)通过螺栓(3)固定。
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