CN2586137Y

CN2586137Y - 晃动参数传感器

Info

Publication number: CN2586137Y
Application number: CN 02286519
Authority: CN
Inventors: 王明衍; 徐仁星
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2003-11-12
Anticipated expiration: 2012-12-02

Abstract

本实用新型公开了一种用来检测物体晃动状态——如晃动加速度、晃动或倾斜角度以及晃动或倾斜方向的晃动参数传感器，其主要包括：基座，在基座上设置有应变梁，在应变梁上设置有应变片，在应变梁的下端还固定有质量块；由于上述的应变片对微应变十分敏感，即：只要有很微小的应变量其输出阻值就会有较明显的变化，因此，只要将所述结构的晃动参数传感器安装在被测物体的适当位置，再通过有关的信号采集电路、放大电路、报警或控制电路等信号处理电路，就可以比较准确地检测出物体的倾斜角度、晃动加速度等参数，从而可以有效地输出报警或控制信号，提醒操作人员采取相应的应对措施。

Description

晃动参数传感器

技术领域

本实用新型涉及到一种传感器领域，尤其涉及到一种用来检测物体晃动状态——如晃动加速度、晃动或倾斜角度以及晃动或倾斜方向的晃动参数传感器。

背景技术

在工程作业、建筑施工等领域中，有些物体如：大型起重运输设备、建筑物、船舶平台、桥梁等，都会不同程度地存在有晃动或倾斜现象。如大型起重设备在轨道上正常行驶中突然停止，由于受惯性力的作用，其机身会向行驶方向前后晃动，其晃动的幅度与F＝ma成正比；又如那些多轮驱动的设备，若多轮驱动或制动不同步，也会产生晃动现象；再如当起重设备的起重力矩大于其机身的平衡力矩时(如超载、吊具与其它物体相牵连或导向滑轮磨擦力增大等)，则机身会往起重臂力方向左右晃动，其晃动幅度与起重加速度成正比；当受到强大风力等外力作用时，物体也会产生晃动或倾斜，其晃动或倾斜幅度和挡风面积、以及风压成正比。当以上所述的与晃动或倾斜有关的参数——如晃动加速度、晃动频率、晃动或倾斜角度、晃动或倾斜方向等达到安全极限时，就必须采取相应的紧急安全措施，否则就有可能发生严重的恶性事故。再如，在建筑施工中常常需要打基础桩，为保证打入地下的基础桩的垂直度，也必须随时监测所打的基础桩的倾斜方向和倾斜角度。还有，在钻井、水下光缆、及管道铺设等工程作业中，也必须实时地检测有关物体的倾斜角度及方向。

目前用来检测物体晃动或倾斜加速度的传感器其结构十分复杂，主要由压电陶瓷及电感、电容等元器件组成振荡电路，通过其自身振荡电路的工作状态的变化来间接地测量出物体的倾斜加速度；其缺点是：不仅电路结构十分复杂，而且造价很高，低频响应较差。

目前用来检测物体倾斜角度的角度传感器的原理比较简单，它主要由一只滑动式可变电位器组成；当可变电位器中的动触点的位置发生变化时，可变电位器的输出阻值也会跟着变化，因此，根据可变电位器输出阻值的变化，就可以检测出物体的倾斜角度和倾斜方向；其缺点是：由于可变电位器中的动触点的使用寿命较短、可靠性较差，因而造成角度传感器的使用寿命也较短，并且其分辨率较低，高频响应较差。

由上所述可知，由于目前缺乏用来检测物体晃动或倾斜状态的有效工具和手段，对诸如高架起重设备在负载运行中允许的安全晃动参数的检测只能凭经验目测、评估，这显然是不准确的，也是十分危险的。

发明内容

针对上述问题，本实用新型将提供一种对晃动现象十分敏感、从而可以比较准确地检测出有关物体的晃动或倾斜参数的晃动参数传感器。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：所述的晃动参数传感器主要包括：基座，在基座上设置有应变梁，在应变梁上设置有应变片，在应变梁的下端还固定有质量块。

本实用新型一种进一步的技术方案是：所述的应变梁既可以是薄板形式的应变梁。还可以是一种双孔平行梁式的应变梁。

在上述结构的基础上，本实用新型一种更进一步的技术方案是：所述的应变片设置在应变梁的应变敏感区。另一种更进一步的技术方案是：在所述的应变梁上至少设置有四个应变片。

本实用新型另一种进一步的技术方案是：在所述的基座上共设置有两组应变梁，并且这两组应变梁的应变敏感方向相互垂直，在每组应变梁上分别至少设置有四个应变片，在每组应变梁的下端也分别固定有质量块。

本实用新型的优点是：由于所述的晃动参数传感器中的应变片——如箔式电阻应变片对微应变十分敏感，即：只要有很微小的应变量其输出阻值就会有较明显的变化，因此，只要将所述结构的晃动参数传感器安装在被测物体的适当位置，再通过有关的信号采集电路、放大电路、报警或控制电路等信号处理电路，就可以比较准确地检测出物体的倾斜角度、晃动加速度及频率等参数，从而可以有效地输出报警或控制信号，提醒操作人员采取相应的应对措施。

附图说明

图1是本实用新型第一种实施例的主视结构示意图；

图2是本实用新型第二种实施例的主视结构示意图；

图3是本实用新型第三种实施例的主视结构示意图；

图4是本实用新型第四种实施例的主视结构示意图；

图5是惠斯登电桥的电原理图。

实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型所述的技术方案、及其工作原理和优点作进一步的描述。

如图1所示，是本实用新型的第一种实施例，主要包括：基座1，在基座1上设置有应变梁3，在本实施例中，所述的应变梁3为一倒梯形状的薄板式应变梁——参见图3中的应变梁5；在应变梁3上设置有应变片——在本实施例中，在应变梁3的两侧共设置了四个箔式电阻应变片R1、R2、R3和R4，它们的具体设置方式可参见图3中所示的R5和R7，即：R1和R3设置在应变梁3的一侧，R2和R4设置在应变梁3的另一侧。在应变梁3的下端还固定有质量块4。为了确保上述四个箔式电阻应变片具有较高的应变灵敏度，在本实施例中，将这四个箔式电阻应变片都安装在了应变梁3的应变敏感区——即在靠近基座1的、应变梁3的根部区域。

如图2所示，是本实用新型的第二种实施例，主要包括：基座1，在基座1上设置有应变梁3，在本实施例中，所述的应变梁3为双孔平行梁式的应变梁，在应变梁3上设置有应变片——在本实施例中，在应变梁3的两侧也设置了四个箔式电阻应变片R1、R2、R3和R4，同样，为了确保上述四个箔式电阻应变片具有较高的应变灵敏度，在本实施例中，将这四个箔式电阻应变片都安装在了应变梁3的应变敏感区——即在与双孔相对应的、应变梁3的外部区域。在应变梁3的下端还固定有质量块4，在本实施例中，所述的质量块4为一个空腔式圆柱体4，应变梁3设置在圆柱体4的空腔中，应变梁3的下端与圆柱体4的底部固定连接。

下面以图1所示的传感器为例来详细说明一下上述两种实施例的使用方法和工作原理：

首先，可以将图1所示的晃动参数传感器封装在某个壳体中，再安装在被测物体的合适位置，并将传感器中的四个箔式电阻应变片R1、R2、R3和R4联接成如图5所示的惠斯登电桥形式，需要指出的是，通常都将应变方向相同的两个电阻分别设置在相对的一对桥臂上，如图1、图2中的R1和R3的应变方向相同、而R2和R4的应变方向也相同，就被分别设置在相对的一对桥臂上(如图5所示)，这样可以确保惠斯登电桥有正确的输出信号；然后，与传统的其它形式的传感器的信号处理方式类似，将惠斯登电桥的输出信号Uo再与有关的信号采集电路、比较电路、放大电路、输出报警及控制电路等信号处理电路相联接。

其工作原理是：当晃动参数传感器与被测物体一起受到外力冲击——或因其它原因发生倾斜或振动时，晃动参数传感器中的质量块4也会跟着一起倾斜或振动，在质量块4的作用下，应变梁3就会发生形变，从而使安装在应变梁3上的四个箔式电阻应变片R1、R2、R3和R4也会跟着发生形变，这样，惠斯登电桥的输出电压Uo就会跟着发生变化。由于惠斯登电桥的输出电压Uo与箔式电阻应变片的应变量成正比，而箔式电阻应变片的应变量又与质量块4所受到的惯性力F、以及质量块4振动或偏移的幅度成正比，因此，可以预先通过实验的方法来获得输出电压Uo分别与质量块4所受到的惯性力F、以及与质量块4振动或偏移的幅度这两者之间的函数变化关系；然后只要实时地检测出惠斯登电桥输出电压Uo的大小，就可以根据上述的函数关系来测算出质量块4所受到的惯性力F、以及质量块4倾斜或振动的幅度。根据牛顿第二定律——惯性力是加速度的函数，即F＝ma，式中，F为质量块4产生的惯性力，m为质量块4的质量，a为加速度；就可以进一步计算出质量块4的晃动加速度a＝F/m。并且，根据质量块4晃动幅度从最小值到最大值所需的时间T——即输出电压Uo从最小值到最大值所需的时间T，还可以计算出其晃动频率f＝1/T。另外，如图1所示，由于质量块4从垂直的中间位置向左偏移时箔式电阻应变片的应变方向、与质量块4从垂直的中间位置向右偏移时箔式电阻应变片的应变方向相反，这就造成在这两种互相反向偏移的情况下，惠斯登电桥的输出电压Uo的极性也相反，因此，还可以根据所检测到的惠斯登电桥输出电压Uo极性的变化，来确定质量块4——也即被测物体的倾斜方向。

由上所述可知，由于箔式电阻应变片对微应变十分敏感，因此，使用本实用新型所述的晃动参数传感器，其检测精度很高，分辨率也很高，对倾斜角度的检测可精确到0.01度；因而其应用范围很广。

如图3所示，是本实用新型的第三种实施例，在本实施例中，在基座1上共设置有两组应变梁3和5，并且这两组应变梁3和5的应变敏感方向相互垂直——即：若左侧应变梁3的应变敏感方向为左右方向、则右侧应变梁5的应变敏感方向就为前后方向，也就是说，当产生左右方向的倾斜或晃动时，左侧应变梁3较敏感、而右侧的应变梁5因刚度大而不敏感；当产生前后方向的倾斜或晃动时，左侧应变梁3因刚度大而不敏感、而右侧的应变梁5则较敏感。在本实施中，在应变梁3的两侧分别设置有箔式电阻应变片R1、R3、及R2和R4，在应变梁5的两侧分别设置有箔式电阻应变片R5、R7、以及R6和R8(R6和R8图中未示出)，上述箔式电阻应变片的设置方式与图1所示的实施例中的箔式电阻应变片的设置方式相同，上述的应变梁3和5也是倒梯形状的薄板式应变梁。在每组应变梁3和5的下端也分别固定有质量块4和6。使用本实施例中所述的晃动参数传感器，可以将应变梁3和5上的箔式电阻应变片R1、R3、R2和R4以及R5、R7、R6和R8分别联接成如图5所示的两个惠斯登电桥形式，然后，将这两个惠斯登电桥的输出信号分别与有关的信号采集电路、比较电路、放大电路、输出报警及控制电路等信号处理电路相联接；这样，在实际使用中，通过CPU微处理中心对两个惠斯登电桥的输出信号进行处理，就可以同时监测空间二个方向——即：物体在二维空间的晃动或倾斜状态，也就是说，本实施例所述的传感器具有在二维空间中动态检测的功能。这不仅进一步提高了检测精度，而且进一步拓展了传感器的使用范围，具有极强的实用性。由上所述可知，图3所示的实施例与图1所示的实施例相比，图3所示的实施例中实质上使用了两个图1所示的实施例传感器，并且将它俩的应变敏感方向相互垂直设置，以达到在二维空间中动态检测的功能。同样，当需要在三维或多维空间中进行检测时，只要在相应方位上再增加图1所示的传感器、并让传感器的应变敏感方向与该方位相一致即可，十分方便。

如图4所示，是本实用新型的第四种实施例，在本实施例中，在基座1上也设置有两组应变梁3和5，并且这两组应变梁3和5的应变敏感方向相互垂直——即：若左侧应变梁3的应变敏感方向为左右方向、则右侧应变梁5的应变敏感方向就为前后方向，也就是说，当产生左右方向的倾斜或晃动时，左侧应变梁3较敏感、而右侧的应变梁5因刚度大而不敏感；当产生前后方向的倾斜或晃动时，左侧应变梁3因刚度大而不敏感、而右侧的应变梁5则较敏感。在本实施中，在应变梁3的两侧分别设置有箔式电阻应变片R1、R2、R3和R4，在应变梁5的两侧分别设置有箔式电阻应变片R5、R6、以及R7和R8(R7和R8图中未示出)，上述箔式电阻应变片的设置方式与图2所示的实施例中的箔式电阻应变片的设置方式相同，上述的应变梁3和5、以及质量块4和6的结构分别与图2所示的实施例中的应变梁3和质量块4的结构相同。并且，本实施例所述的传感器与图3所示的传感器的使用方法和工作原理相同，这里不再赘述。由上所述可知，图4所示的实施例与图2所示的实施例相比，图4所示的实施例中实质上使用了两个图2所示的实施例传感器，并且将它俩的应变敏感方向相互垂直设置，以达到在二维空间中动态检测的功能。同样，当需要在三维或多维空间中进行检测时，只要在相应方位上再增加图2所示的传感器、并让传感器的应变敏感方向与该方位相一致即可，十分方便。

综上所述，本实用新型所述的晃动参数传感器具有体积小、精度高、抗振性好、频响宽、使用寿命长等特出的优点，尤其是还具有动态跟踪的性能，应用范围极广。

Claims

1、晃动参数传感器，主要包括：基座，其特征在于：在基座上设置有应变梁，在应变梁上设置有应变片，在应变梁的下端还固定有质量块。

2、如权利要求1所述的晃动参数传感器，其特征在于：所述的应变梁为薄板式的应变梁。

3、如权利要求1所述的晃动参数传感器，其特征在于：所述的应变梁为双孔平行梁式的应变梁。

4、如权利要求1或2或3所述的晃动参数传感器，其特征在于：所述的应变片设置在应变梁的应变敏感区。

5、如权利要求1或2或3所述的晃动参数传感器，其特征在于：在应变梁上至少设置有四个应变片。

6、如权利要求1或2或3所述的晃动参数传感器，其特征在于：所述的质量块为一个空腔式圆柱体，应变梁设置在圆柱体的空腔中，应变梁的下端与圆柱体的底部固定连接。

7、如权利要求1所述的晃动参数传感器，其特征在于：在基座上共设置有两组应变梁，并且这两组应变梁的应变敏感方向相互垂直，在每组应变梁上分别至少设置有四个应变片，在每组应变梁的下端也分别固定有质量块。