CN102353484A - 检测正压力与摩擦力的复合式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测正压力与摩擦力的复合式传感器，其结构是传感器壳体为圆形，壳体顶面的内侧设有四个第一电阻应变片，传感器壳体内设有一层带有弹性的中间层隔板，该板下端面贴壁设有四个第二电阻应变片，在中间层隔板和传感器壳体顶面之间设有连接杆。隔板层的作用是可以敏感接收正压力的变化。第一和第二电阻应变片均分别组成全桥电路，第一第二电阻应变片分别检测的是摩擦力和压力信号，两组信号的引线均贴传感器壳体内壁引出分别接至各自的二次仪表。本发明可同时测量介质的摩擦力和正压力，因为摩擦力大小既与介质的物性有关，同时也与正压力大小有关。若分别测量正压力和摩擦力，由于测量条件难于保持一致，结果的可靠性会受到影响。

Description

检测正压力与摩擦力的复合式传感器

技术领域

本发明涉及一种对细颗粒泥土类介质的正压力和摩擦力进行检测的传感装置。

技术背景

目前随着我国经济建设与城市建设的快速发展，对大型全断面掘进装备的年需求量已接近百台，而且逐年增加，预计十二五期间可能达到年需求量千台。盾构掘进机作为隧道、地铁建设的大型装备，其中刀盘刀具是掘进的关键部件，也是最易磨损和失效的部件，地铁施工所用的刀盘直径6.2-6.4m，掘进所需要的推力和扭矩在几千吨和几千kNm的量级。因此刀盘所受的载荷非常大，刀盘的几何结构与所切削泥土介质的性质密切相关，同样类型的盾构机挖掘不同性质的泥土其刀盘的形状也不同。盾构机刀盘的强度和几何结构设计的依据之一是泥土介质与刀盘间摩擦力，该摩擦力需通过实验进行测量。一般常用的方法是分别用(正面)压力和摩擦力两支传感器完成测量，但缺点是测点不能在同一部位，即便是同一部位也不能同时测量，这样将影响检测数据的可靠性。如何能够同时检测到这两个力，目前尚无良好的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提出一种可同时测量(具有一定含水量的颗粒泥土)介质正压力和摩擦力的复合式传感器，该传感器也可用于测量粘稠度相对较高的流体介质正压力和摩擦力。

检测正压力与摩擦力的复合式传感器的结构原理是，传感器壳体为圆形，壳体顶面的内侧设有四个第一电阻应变片，该壳体顶面为测量摩擦力的接触面。传感器壳体内设有一层带有弹性的中间层隔板，中间层隔板下端面贴壁设有四个第二电阻应变片，在中间层隔板和传感器壳体顶面之间设有连接杆。中间层隔板层的作用是可以敏感接收正压力的变化。第一和第二电阻应变片均分别组成全桥电路，第一电阻应变片检测的是摩擦力信号；第二电阻应变片检测的是压力信号，两组信号的引线均贴传感器壳体内壁引出分别接至各自的二次仪表。两组信号的引线均为四芯屏蔽线，屏蔽线中两根用于测量信号输出，另外两根接外部电源。

复合式传感器的工作原理是，刀盘旋转的摩擦力使得壳体顶端面产生Y轴正负方向的弯曲变形，该变形量与摩擦力大小成正比，由第一组应变片检测出。刀盘旋转时产生的(垂直于刀盘)正压力，使传感器壳体顶面发生关于圆心对称的弯曲变形，该变形通过与壳体顶端面固定的连接杆产生位移导致中间层隔板变形，该变形与介质的压力成正比，由第二组电阻应变片检测出。

本发明的特点及产生的效果是，可同时测量介质的摩擦力和正压力，有利于准确确定被测介质的力学参数。因为摩擦力大小既与介质的物性有关，同时也与正压力大小有关。若分别测量正压力和摩擦力，由于测量条件难于保持一致，结果的可靠性会受到影响。

附图说明

图1为本发明结构原理图，图中的f为所要测量的摩擦力。

图2为图1顶端面内侧的俯视简图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的结构及原理作进一步的说明。检测正压力与摩擦力的复合式传感器，其结构是传感器壳体1为圆形，壳体顶面的内侧设有四个第一电阻应变片2-1，传感器壳体内设有一带有弹性的中间层隔板3，中间层隔板下端面贴壁设有四个第二电阻应变片2-2，在中间层隔板和传感器壳体顶面之间设有连接杆4。四个第一和第二电阻应变片2-1、2-2均分别组成全桥电路，第一电阻应变片摩擦力信号的引线贴传感器壳体内壁引出接至二次仪表，第二电阻应变片2-2压力信号的引线亦贴传感器壳体内壁引出接至二次仪表。传感器输出的二次仪表可采用电阻应变仪。

传感器的结构是一个圆形上端面封闭的壳体(如图1)，在其壳体顶面内侧的四个电阻应变片的位置与X轴和Y轴对称放置(如图2)。第一组电阻应变片用于测量刀盘旋转方向的摩擦力，通过电阻应变片组桥方式可使第一组应变片只感受关于Y轴的反对称的变形，使得摩擦力(或者说切向力)的测量不受Y轴方向摩擦力分量的影响。反对称变形的另一特点是圆心点的垂直方向位移为零，所以不会引起连接杆的位移，即摩擦力不会引起中间隔板的变形，即不会使(测量正压力)第二组应变片产生信号输出。另一方面，正压力使顶端面发生关于圆心对称的弯曲变形，该变形量通过第二组电阻应变片测量到。因为正压力仅产生顶端面的变形对称，对(测量摩擦力的)第一组应变片的输出无影响。所以达到了摩擦力和正压力可同时测量且互不干扰得效果。

传感器壳体由具有弹性的钢或铝合金制成，连接杆焊接于传感器壳体内侧壁与中间层隔板圆心。侧壁厚度5-7mm，顶端面的厚度根据测量摩擦力和正应力的量程确定。如果正应力的量程为4MPa，摩擦力的量程为2MPa，且壳体直径为35mm。两组应变片预先组成全桥分别固定于壳体顶面内侧以及中间层隔板下端面，并用四芯屏蔽线作为引出线。中间层隔板的厚度与传感器壳体顶端面的厚度一致，两层间距为10-15mm。在传感器壳体内壁对称1800加工凹槽，分别用于摩擦力和正压力信号线的引出。

Claims (2)

1.检测正压力与摩擦力的复合式传感器，其特征是传感器壳体(1)为圆形，壳体顶面的内侧设有四个第一电阻应变片(2-1)，传感器壳体内设有一带有弹性的中间层隔板(3)，中间层隔板下端面贴壁设有四个第二电阻应变片(2-2)，在中间层隔板和传感器壳体顶面之间设有连接杆(4)。

2.按照权利要求1所述的检测正压力与摩擦力的复合式传感器，其特征是所述四个第一和第二电阻应变片(2-1、2-2)均分别组成全桥电路，第一电阻应变片摩擦力信号的引线贴传感器壳体内壁引出接至二次仪表，第二电阻应变片(2-2)压力信号的引线亦贴传感器壳体内壁引出接至二次仪表。

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