CN2436383Y - 双剪切梁式二维力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种双剪切梁式二维力传感器,它有一个呈双剪切梁结构的弹性体,其上开有颈口、沉口,在颈口处加工有应力采集腹板,腹板两侧对称贴有沿中和轴呈45°角的应变计,弹性体上部对称加工有斜面平台,并开有螺孔,这种新型的装置可同时测出二维力,并滤出其它力及弯距、扭距的干扰,使检测设备大大简化,同时不影响被测力的测量精度,可广泛做为铁路轨道的受力检测装置。
Description
本实用新型涉及一种传感器，特别是用于铁路轨道的受力检测时使用的传感器。
目前检测二维力主要是依靠布置两个传感器的方法来检测二维力，但在许多情况下，由于结构的限制，无法安装使用两个传感器检测二维力，例如铁路轨道的受力检测是分别使用两个传感器同时检测垂向力和横向力，实施过程中很难实现。为了解决这一问题，人们做了多种努力，如中国专利96222889号公开了一项名称为“板式传感器”的技术，介绍了一种板式传感器，它包括一平板，该平板轴对称，在使用中不需特别的固定装置，可直接与被测物体相联接，在测量铁路轨道载荷，尤其是称重等方面可使计量设备大大简化，但存在着测量范围单一的问题，即使用于轨道受力检测，该传感器仅能测量一维力即重力。
本实用新型的任务是：克服现有技术的不足，设计一种结构简单，测量方便的双剪切梁式二维力传感器。
本实用新型的任务是以如下方式实现的：双剪切梁式二维力传感器，它有一个呈双剪切梁结构的弹性体，其上开有颈口2、沉口3，在颈口处加工有应力采集腹板，腹板两侧对称贴有沿中和轴呈45°角的应变计，弹性体上部对称加工有斜面平台4，并开有螺孔。
本实用新型用一个传感器同时可测出二维力如垂向力和横向力，并滤出其它力及弯距扭距的干扰，使检测设备大大简化，同时不影响被测力的测量精度；将其用于铁路轨道的受力检测，设备安装十分方便，与现有工务施工过程相接近，有利于推广应用；同时，本实用新型结构紧凑、先进、经久耐用，可用于各种恶劣自然环境，实现动态二维力检测。
图1为本实用新型的结构及应变计贴片位置示意图；
图2为本实用新型的“检测方法一”所采用的电路示意图；
图3为本实用新型的“检测方法二”所采用的电路示意图；
图4为本实用新型采用“检测方法二”的垂向力应变示意图；
图5为本实用新型采用“检测方法二”的横向力应变示意图。
本实用新型的一个最佳实施例，如图，双剪切梁式二维力传感器，它有一个呈双剪切梁结构的弹性体，其上开有颈口2、沉口3，在颈口处加工有应力采集腹板，腹板两侧对称贴有沿中和轴呈45°角的应变计，弹性体上部对称加工有斜面平台4，并开有螺孔。
本实用新型的第二个实施例，如图，双剪切梁式二维力传感器的弹性体上开有颈口2、沉口3，在左、右颈口处加工有两个相互垂直的应力采集腹板，腹板两侧对称贴有沿中和轴呈45°角的应变计，弹性体上部对称加工有斜面平台4，并开有螺孔。
该装置的工作过程中采用的测量原理是利用剪切原理：可将本传感器看成是左右两个悬臂梁传感器的组合，也就是双剪切梁式结构，当弹性体受外力作用后，不是测量它的正应力，而是测量由剪切引起的切应力，但切应力本身是测不出的，它能产生与工字梁中和轴线呈45度角的互相垂直的应力，也就是产生由切应力而引起的拉伸应力和压缩应力。因此，在剪切梁弹性体中，将四个应变计分别粘贴在工字梁腹板的两侧面，并与中和轴呈现45度的互相垂直的位置上，组成桥路，测量载荷。
检测方法一：采用在同一个传感器弹性体上加工一套应力采集腹板，布置一套应变计，应变计R01、R02、R03、R04组成一个惠思通全桥电路，应变计R05、R06、R07、R08组成另一个惠思通全桥电路。
当有垂向载荷作用时，左端桥路应变计：R01、R03受压，电阻减小，R02、R04受拉，电阻增大；右端桥路应变计：R05、R07受压，电阻减小，R06、R08受拉，电阻增大。由全等臂电桥电压输出公式：
△U(垂左)=U0/4*K(ε1-ε2+ε3-ε4)
△U(垂左)-电桥输出电压 U0-供桥电压
K-应变片灵敏系数 ε-电阻变化率
因拉应变与压应变大小相等，方向相反，输出电压为：
△U(垂左)=U0/4*K(ε1*4)同理，△U(垂右)=U0/4*K(ε5*4)=U0/4*K(ε1*4)
△U(垂左)=△U(垂右)
当有横向载荷作用时，左端桥路应变计：R01、R03受压，电阻减小，R02、R04受拉，电阻增大；右端桥路应变计：R05、R07受拉，电阻增大，R06、R08受压，电阻减小。亦由上述公式有：
△U(垂左)=U0/4*K(ε1*4)
△U(垂右)=U0/4*K(ε5*4)=U0/4*K(-ε1*4)
△U(垂左)=-△U(垂右)
对左右两端这两个电路的输出信号分别做数字化处理，再对所处理的数据进行矢量加，
△U(垂)=1/2[(△U(垂左)+△U(横左)+(△U(垂右)+△U(横右)]
=1/2[△U(垂左)+△U(垂右)]由叠加结果知：横向载荷产生的输出信号相互抵消，即矢量加时得到垂向力输出信号。
对左右两端这两个电路的输出信号作矢量减。
△U(横)=1/2[(△U(垂左)+△U(横左))-(△U(垂右)+△U(横右)]
=1/2[△U(垂左)-△U(横右)]由叠加结果知：垂向载荷产生的输出信号相互抵消，即矢量减时得到横向力输出信号。这样通过这种方法就实现了二维力检测。
检测方法二：采用在同一个传感器弹性体上加工两套应力采集腹板，布置两套应变计，应变计R01、R02、R03、R04分别对应与应变计R05、R06、R07、R08串联后再组成一个惠思通全桥电路，依据应变计组合特性，其输出电压信号即为垂向力：Usc=U0*K[(ε1+ε5)-(ε2+ε6)+(ε3+ε7)-(ε4+ε8)]/4
因拉应变与压应变大小相等。方向相反。输出电压为：
Usc=[4*U0*K*2*ε′]/4，有
Usc-电桥输出电压 U0-供桥电压
K-应变片灵敏系数 ε-电阻变化率
同理应变计R09、R10、R11、R12与应变计R13、R14、R15、R16经类似上述处理后得到横向力，从而实现二维力检测。
Claims (3)
1、一种双剪切梁式二维力传感器，它有一个呈双剪切梁结构的弹性体，其特征在于：弹性体的左右两端开有颈口，上部开有沉口，在颈口处加工有应力采集腹板，腹板两侧对称贴有沿中和轴呈45°角的应变计，传感器上部对称加工有斜面平台，并开有螺孔。
2、如权利要求1所述的二维力传感器，其特征在于：在传感器弹性体上布置有一套应变计，由R01、R02、R03、R04组成一个惠思通全桥电路，应变计R05、R06、R07、R08组成另一个惠思通全桥电路，对该两个电路的输出信号分别做数字化处理，再对所处理的数据进行矢量加、矢量减，从而得到二维力。
3、如权利要求1所述的二维力传感器，其特征在于：在传感器弹性体上布置有两套应变计，由应变计R01、R02、R03、R04分别对应与应变计R05、R06、R07、R08串联后再组成一个惠思通全桥电路。
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