CN114577379B - 销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法，属于工程机械测量领域。本发明通过在销轴式力传感器的销轴两端沿圆周方向间隔90°开设四个盲孔并在每个盲孔中粘贴应变片形成电桥电路，以及在预设四个盲孔周向应变随销轴所受径向力方向变化的规律为两个竖直或水平盲孔的周向应变平均值随销轴径向力方向变化的规律为标准的正弦或余弦变化规律的基础上，利用这个规律提出销轴所受径向力大小及方向的解耦方法，通过该方法获得销轴径向力大小及方向的模型简单明确，标定工作量小，更符合客观规律，测量精度高，效率高。

Description

销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法

技术领域

本发明涉及工程机械测量技术领域，尤其涉及一种销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法。

背景技术

在机械工程测量领域，往往需要测量某些机械机构铰接点的受力情况，因此设计了销轴式力传感器。销轴式力传感器通常是在轴或销的表面开槽、打孔，并在孔的底部粘贴应变片，通过测量应变的大小来求得轴或销的受力。这种传感器在机械中既能起到铰接承载作用，又能获得铰接点的载荷，具有双重功能，给铰接点力的测量带来了便利，因此销轴式力传感器获得了广泛应用。

目前市面上的销轴式力传感器主要为单向销轴式力传感器，即只能对单方向径向力进行测量。然而在许多工程应用场合中，销轴所受径向力的方向是可变的，因此单向销轴式力传感器无法适用于这些场合，极大地限制了销轴式力传感器在工程领域的应用范围和使用价值。

针对销轴式力传感器可变方向径向力的测量，一些厂家提出了改进方法，即在销轴截面的水平和竖直两个方向开设盲孔和粘贴应变片，试图利用两个垂直方向的应变表征径向力的大小和方向。目前，对于径向力方向的表征方法有两种，一种是基于神经网络模型或支持向量机模型的标定方法。该方法是将不同方向的加载力和输出信号输入到神经网络模型或者支持向量机模型中进行训练，通过大量数据的训练，获得较为精确的径向力大小及方向的预测数学模型。另一种方法是假设径向力的大小和方向是关于两个垂直方向应变输出的非线性函数，径向力大小与两个垂直方向应变的平方和的平方根相关，方向与两个垂直方向应变的比值相关，模型中包含合力系数以及角度系数，然后利用标定实验对两个系数进行数值拟合，从而得到径向力大小及方向的数学模型。

上述两种技术方案中，神经网络模型或支持向量机模型的训练需要大量的样本作为输入，存在标定试验工作量大、效率低、工程应用困难等缺点；而采用假设的非线性函数的表征方法虽然模型简单明确、标定工作量低，但所假设的非线性函数并非客观规律的反映，因而必然与实际值存在较大的误差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法。

本发明采用的技术方案是：

一种销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法，所述销轴式力传感器的销轴两端承受径向力的位置沿圆周方向各开设一个环形凹槽，所述环形凹槽间隔90°分布开设有四个盲孔，每个盲孔中心区域粘贴一个应变片，应变片的栅格方向沿周向方向并用于测量盲孔周向应变，每个应变片与三个固定阻值的电阻单独组成用于测量应变片的电阻R₁的电桥电路；

所述销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法包括如下步骤：

S1，控制销轴两端分别受一对等大反向的剪力作用，这两对剪力中剪力F₁和剪力F₂是一对，剪力F₃和剪力F₄是一对，每一对剪力交错分布在环形槽和盲孔两侧，定义销轴所受剪力即为销轴所承受的径向力，剪力可绕圆周方向旋转，剪力的方向定义为与竖直方向的夹角α，销轴式力传感器的径向力大小及方向即是剪力的大小及方向；

S2，定义销轴上与竖直方向垂直的盲孔为水平盲孔，与水平方向垂直的盲孔为竖直盲孔，预设销轴式力传感器各个盲孔的周向应变随销轴式力传感器径向力方向变化的规律为：两个竖直盲孔应变之和的平均值和两个水平盲孔应变之和的平均值随剪力F₁方向的变化曲线为标准的正弦或余弦变化曲线，且所述正弦或余弦变化曲线的幅值和平均值均与剪力大小呈正比关系，比例系数与剪力大小无关；

S3，基于销轴式力传感器各个盲孔的周向应变随销轴式力传感器径向力方向变化的规律，确定两个竖直盲孔周向应变的平均值随剪力F₁方向的变化曲线由如下公式(1)表示：

ε_V＝-k₁Fcos(2α)-k₂F   (1)

公式(1)中，ε_V表示两个竖直盲孔周向应变的平均值，α为剪力F₁的方向，F为剪力F₁的大小，k₁和k₂为两个固定的比例系数；

同理，确定两个水平盲孔周向应变的平均值随剪力F₁方向的变化曲线由如下公式(2)表示：

ε_H＝k₁Fcos(2α)-k₂F     (2)

公式(2)中，ε_H表示两个水平盲孔周向应变的平均值，α为剪力F₁的方向，F为剪力F₁的大小，k₁和k₂为两个固定的比例系数；

S4，将公式(1)和公式(2)相加，确定剪力大小F与两个竖直盲孔周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔周向应变的平均值ε_H之间的关系为如下公式(3)：

S5，将公式(1)和公式(2)相减，并将公式(3)代入后，确定剪力方向α与两个竖直盲孔周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔周向应变的平均值ε_H之间的关系通过如下公式(4)表示：

可选地，所述k₁和k₂的计算方法为：

步骤1：将销轴固定在标定试验机上，其中一对盲孔保持竖直，另一对盲孔保持水平，此时在销轴的顶点即A点施加剪力F₁，在A点的对称位置E点施加等大反向的剪力F₂，同理在销轴另一端施加剪力等到反向的剪力F₃和剪力F₄，采集各竖直盲孔和水平盲孔对应的应变信号后，求取两个竖直盲孔周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔周向应变的平均值ε_H，然后代入如下公式(5)求得比例系数k₂；

步骤2：由于在A点施加剪力F₁时其方向α为0°，将其代入公式(1)和公式(2)后，得到两个竖直盲孔周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔周向应变的平均值ε_H与剪力大小F的关系如下公式(6)和公式(7)所示：

ε_V＝-k₁F-k₂F                        (6)

ε_H＝k₁F-k₂F                         (7)

因此，确定比例系数k₁通过如下公式(8)计算：

可选地，所述方法还包括：

步骤3，改变剪力的大小F，重复执行多次步骤1和步骤2，求取比例系数k₁和的k₂平均值作为k₁和k₂的最终值。

本发明的有益效果是：

通过在销轴式力传感器的销轴两端沿圆周方向间隔90°开设四个盲孔并在每个盲孔中粘贴应变片形成电桥电路，以及在预设四个盲孔周向应变随销轴所受径向力方向变化的规律为两个竖直或水平盲孔的周向应变平均值随销轴径向力方向变化的规律为标准的正弦或余弦变化规律的基础上，利用这个规律提出销轴所受径向力大小及方向的解耦方法，通过该方法获得销轴径向力大小及方向的模型简单明确，标定工作量小，更符合客观规律，测量精度高，效率高。

附图说明

图1是本发明中销轴式力传感器的结构示意图。

图2是图1中盲孔与应变片的示意图。

图3是本发明中应变片与电阻构成的电桥电路的示意图。

图4是本发明中销轴的受力示意图。

图5是本发明中销轴上的盲孔位置示意图。

图6是本发明中竖直盲孔1周向应变随剪力F₁方向的变化曲线图。

图7是本发明中两个竖直盲孔周向应变随剪力F₁方向的变化曲线图。

图8是本发明中两个水平盲孔周向应变随剪力F₁方向的变化曲线图。

图9是本发明中两个竖直和水平盲孔周向应变平均值随剪力F₁方向的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种销轴式力传感器，如图1和图2所示，所述销轴式力传感器的销轴1两端承受径向力的位置沿圆周方向各开设一个环形凹槽2，所述环形凹槽2间隔90°分布开设有四个盲孔3，每个盲孔3中心区域粘贴一个应变片4，应变片4的栅格方向沿周向方向用于测量盲孔3周向应变，每个应变片4与三个固定阻值的电阻单独组成用于测量应变片4的电阻R₁的电桥电路，如图3所示。

在上述销轴式力传感器基础上，本发明实施例径向力大小及方向的测量方法如下：

S1，控制销轴1两端分别受一对等大反向的剪力作用，这两对剪力中剪力F₁和剪力F₂是一对，剪力F₃和剪力F₄是一对，如图4中的a图和b图所示，每一对剪力交错分布在环形槽2和盲孔3两侧，定义销轴1所受剪力即为销轴1所承受的径向力，剪力可绕圆周方向旋转，剪力的方向定义为与竖直方向的夹角α，销轴式力传感器的径向力大小及方向即是剪力的大小及方向。

为解释说明该方法，本发明实施例先阐明盲孔3周向应变随径向力方向变化的规律。通过理论仿真及实验的方法，申请人研究了保持销轴1承受的径向力大小不变，仅改变径向力方向的条件下，销轴式力传感器各个盲孔3的周向应变随径向力方向变化的规律。

为方便阐述说明该规律，本发明实施例对销轴式力传感器一端的四个盲孔3的位置进行了定义，如图5中的a图和b图所示。销轴1一端沿环形槽间隔90°分布四个盲孔3，定义与竖直方向垂直的盲孔为水平盲孔3-1，图5中的a图和b图中Z轴代表竖直方向，定义与水平方向垂直的盲孔为竖直盲孔3-2，图5中的a图和b图中Y轴代表水平方向。水平盲孔3-1共一对，分别称为第一水平盲孔3-1-1和第二水平盲孔3-1-2，竖直盲孔3-2也为一对，分别称为第一竖直盲孔3-2-1和第二竖直盲孔3-2-2。

经研究表明，第一竖直盲孔3-2-1周向应变随剪力F₁方向的变化曲线如图6中的a图和b图所示，图6中的a图和b图中曲线上标注的A点至H点的应变值分别表示剪力F₁在对应的A点至H点位置时第一竖直盲孔3-2-1的周向应变值。例如图6中的a图和b图中曲线B点，表示此时剪力F₁的作用点位于B点，剪力F₂的作用点在其对称位置F点，此时剪力F₁与竖直方向的夹角为45°，因此曲线B点对应的横坐标为45°，纵坐标的应变值即为剪力F₁的作用点位于B点时第一竖直盲孔3-2-1的周向应变。由图6中的a图和b图可知，当剪力F₁旋转一周时，第一竖直盲孔3-2-1的周向应变经历两次正弦规律变化，但两次正弦规律变化的幅值有所差异。产生这个现象的原因是剪力F₁和剪力F₂关于销轴1轴线是呈反对称关系的，因此当剪力F₁在某一个位置时(如图中B点)和当剪力F₁旋转到其对称位置(如图中F点)时，任意盲孔3的受力情况均会产生差异，因此其周向应变也产生差异。

如图7和图8分别为两个竖直盲孔3-2和两个水平盲孔3-1周向应变随剪力F₁方向的变化曲线图。由图7可知，在剪力F₁旋转一周的条件下，两个竖直盲孔3-2和两个水平盲孔3-1的周向应变均呈现周期性变化，两者仅在相位上存在超前和滞后关系，并且发现两者的相位差均为180°。在第一个变化周期内，第一竖直盲孔3-2-1的变化幅值大于第二竖直盲孔3-2-2，在第二个变化周期内，第一竖直盲孔3-2-1的变化幅值小于第二竖直盲孔3-2-2，两者之间存在互补关系。

由于两个竖直盲孔3-2和两个水平盲孔3-1的周向应变变化存在上述互补关系，两个竖直盲孔3-2的应变之和的平均值和两个水平盲孔3-1的应变之和的平均值随剪力F₁方向的变化曲线恰好呈现出标准的正弦或余弦变化规律，因此两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值以及两个水平盲孔周向应变的平均值3-1均可以用正弦或余弦公式表达。研究表明，该正弦或余弦变化曲线的幅值和平均值均和剪力大小F呈正比关系，且比例系数与剪力大小F无关。

在上述内容的基础上，在测量径向力时，本发明实施例在上述S1的基础上，还包括S2：定义销轴1上与竖直方向垂直的盲孔3为水平盲孔3-1，与水平方向垂直的盲孔3为竖直盲孔3-2，预设销轴式力传感器各个盲孔3的周向应变随销轴式力传感器径向力方向变化的规律为：两个竖直盲孔3-2应变之和的平均值和两个水平盲孔3-1应变之和的平均值随剪力F₁方向的变化曲线为标准的正弦或余弦变化曲线，且所述正弦或余弦变化曲线的幅值和平均值均与剪力大小F呈正比关系，比例系数与剪力大小F无关。

进一步地，本发明实施例还包括S3：基于销轴式力传感器各个盲孔3的周向应变随销轴式力传感器径向力方向变化的规律，确定两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值随剪力F₁方向的变化曲线由如下公式(1)表示：

ε_V＝-k₁F cos(2α)-k₂F    (1)

公式(1)中，ε_V表示两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值，α为剪力F₁的方向，F为剪力F₁的大小，k₁和k₂为两个固定的比例系数；

同理，确定两个水平盲孔3-1周向应变的平均值随剪力F₁方向的变化曲线由如下公式(2)表示：

ε_H＝-k₁Fcos(2α)-k₂F    (2)

公式(2)中，ε_H表示两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值，α为剪力F₁的方向，F为剪力F₁的大小，k₁和k₂为两个固定的比例系数。

将公式(1)和公式(2)相加，确定剪力大小F与两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔3-1周向应变的平均值ε_H之间的关系为如下公式(3)：

将公式(1)和公式(2)相减，并将公式(3)代入后，确定剪力方向α与两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔3-1周向应变的平均值ε_H之间的关系通过如下公式(4)表示：

上述方法即为本发明所述对销轴所承受的径向力的大小及方向的测量方法，该方法符合客观规律，因此，从理论上消除了误差。

上述方法的标定过程将极为简单，需要标定的参数仅为固定的比例系数k₁和k₂，其标定过程如下：

步骤1：将销轴1固定在标定试验机上，其中一对盲孔3保持竖直，另一对盲孔3保持水平，位置如图6中的a图和b图所示，此时在销轴1的顶点即A点施加剪力F₁，在A点的对称位置E点施加等大反向的剪力F₂，同理在销轴1另一端施加剪力等到反向的剪力F₃和剪力F₄，采集各竖直盲孔3-2和水平盲孔3-1对应的应变信号后，求取两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔3-1周向应变的平均值ε_H，然后代入如下公式(5)求得比例系数k₂；

步骤2：由于在A点施加剪力F₁时其方向α为0°，将其代入公式(1)和公式(2)后，得到两个竖直盲孔3-2周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔3-1周向应变的平均值ε_H与剪力大小F的关系如下公式(6)和公式(7)所示：

ε_V＝-k₁F-k₂F                        (6)

ε_H＝k₁F-k₂F                         (7)

因此，确定比例系数k₁通过如下公式(8)计算：

进一步地，为了使计算结果更加准确，计算固定的比例系数k₁和k₂的方法还可以包括：

步骤3，改变剪力的大小F，重复执行多次步骤1和步骤2，求取比例系数k₁和的k₂平均值作为k₁和k₂的最终值。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法，其特征在于，所述销轴式力传感器的销轴(1)两端承受径向力的位置沿圆周方向各开设一个环形凹槽(2)，所述环形凹槽(2)间隔90°分布开设有四个盲孔(3)，每个盲孔(3)中心区域粘贴一个应变片(4)，应变片(4)的栅格方向沿周向方向并用于测量盲孔(3)周向应变，每个应变片(4)与三个固定阻值的电阻单独组成用于测量应变片(4)的电阻R₁的电桥电路；

所述销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法包括如下步骤：

S1，控制销轴(1)两端分别受一对等大反向的剪力作用，这两对剪力中剪力F₁和剪力F₂是一对，剪力F₃和剪力F₄是一对，每一对剪力交错分布在环形槽(2)和盲孔(3)两侧，定义销轴(1)所受剪力即为销轴(1)所承受的径向力，剪力可绕圆周方向旋转，剪力的方向定义为与竖直方向的夹角α，销轴式力传感器的径向力大小及方向即是剪力的大小及方向；

S2，定义销轴(1)上与竖直方向垂直的盲孔(3)为水平盲孔(3-1)，与水平方向垂直的盲孔(3)为竖直盲孔(3-2)，预设销轴式力传感器各个盲孔(3)的周向应变随销轴式力传感器径向力方向变化的规律为：两个竖直盲孔(3-2)应变之和的平均值和两个水平盲孔(3-1)应变之和的平均值随剪力F₁方向的变化曲线为标准的正弦或余弦变化曲线，且所述正弦或余弦变化曲线的幅值和平均值均与剪力大小呈正比关系，比例系数与剪力大小无关；

S3，基于销轴式力传感器各个盲孔(3)的周向应变随销轴式力传感器径向力方向变化的规律，确定两个竖直盲孔(3-2)周向应变的平均值随剪力F₁方向的变化曲线由如下公式(1)表示：

ε_V＝-k₁Fcos(2α)-k₂F               (1)

公式(1)中，ε_V表示两个竖直盲孔(3-2)周向应变的平均值，α为剪力F₁的方向，F为剪力F₁的大小，k₁和k₂为两个固定的比例系数；

同理，确定两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值随剪力F₁方向的变化曲线由如下公式(2)表示：

ε_H＝k₁Fcos(2α)-k₂F              (2)

公式(2)中，ε_H表示两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值，α为剪力F₁的方向，F为剪力F₁的大小，k₁和k₂为两个固定的比例系数；

S4，将公式(1)和公式(2)相加，确定剪力大小F与两个竖直盲孔(3-2)周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值ε_H之间的关系为如下公式(3)：

S5，将公式(1)和公式(2)相减，并将公式(3)代入后，确定剪力方向α与两个竖直盲孔(3-2)周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值ε_H之间的关系通过如下公式(4)表示：

2.根据权利要求1所述的销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法，其特征在于，所述k₁和k₂的计算方法为：

步骤1：将销轴(1)固定在标定试验机上，其中一对盲孔(3)保持竖直，另一对盲孔(3)保持水平，此时在销轴(1)的顶点即A点施加剪力F₁，在A点的对称位置E点施加等大反向的剪力F₂，同理在销轴(1)另一端施加剪力等到反向的剪力F₃和剪力F₄，采集各竖直盲孔(3-2)和水平盲孔(3-1)对应的应变信号后，求取两个竖直盲孔(3-2)周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值ε_H，然后代入如下公式(5)求得比例系数k₂；

步骤2：由于在A点施加剪力F₁时其方向α为0°，将其代入公式(1)和公式(2)后，得到两个竖直盲孔(3-2)周向应变的平均值ε_V和两个水平盲孔(3-1)周向应变的平均值ε_H与剪力大小F的关系如下公式(6)和公式(7)所示：

ε_V＝-k₁F-k₂F                (6)

ε_H＝k₁F-k₂F                      (7)

因此，确定比例系数k₁通过如下公式(8)计算：

3.根据权利要求2所述的销轴式力传感器径向力大小及方向的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤3，改变剪力的大小F，重复执行多次步骤1和步骤2，求取比例系数k₁和的k₂平均值作为k₁和k₂的最终值。

Images