CN85104807B - 多量程测力传感器 - Google Patents

Abstract

一种电阻应变式多量程测力传感器，它克服了现有多量程测力传感器结构复杂、零件多、刚性差、工艺性能及精度不易保证的缺点，本发明设计了一种轮辐式工字形一体结构的复合弹性体，可比较容易的实现每一个量程都是从零开始的三量程、四量程测力传感器，也可做成双量程测力传感器。它可用于静态力或动态力的测量，在满量程范围内可分区段地连续进行测量。因此，它保证了在测量幅度变化大的连续工作力值的测量过程中，在全量程范围内提高了各分区段的测量精度。并能在垂直方向到水平方向的90度范围内安装使用。

Description

一种电阻应变式多量程测力传感器，它可以用于静态力或动态力的测量；用于测量制动转矩、拖曳转矩、拉力、压缩力、推力等等。

目前，国内外有把两个不同量程的单量程测力传感器串接起来实现双量程测量的方法(JP-A-57147025)，见图1。也有把单个测力弹性体组合起来装配成多量程测力传感器实现多量程测量(JP-A-5991327、US-A-4282762、SU-A-732704)，见图2、3、4。它们和单量程测力传感器相比，可以实现多量程力值的测量，并在一定程度上提高了测力传感器低量程区段的测量精度。但由于这些应变式测力传感器都是采用了分离体结构的测力弹性体，采用组合的办法。因此，无论从加工工艺、装配调整工艺的保证，以及传感器精度的提高，应用范围的扩大等方面都受到一定的限制。特别是要想增加多量程的量程数目时，也就是在全量程范围内想再增加分区段的数目时，在结构上将更加复杂，实现起来就非常困难。在一个弹性体上制成不同弹性应变区的技术，仅发现披露在日本专利申请JP-A-5912326，见图5。

本发明的目的之一是提供一种结构简单、工艺性能好、体积小、重量较轻、刚性好、精度高、应用范围广的用于测量制动转矩、拖曳转矩、拉力、压缩力、推力的多量程应变式测力传感器。本发明的另一个目的是在满足上述条件下提供一个可以在垂直方向到水平方向的90度范围内任意位置安装使用而不需其他辅助构件的多量程测力传感器。本发明的再一个目的是提供一种每一个量程都是从零开始，并在全量程范围内分区段地连续进行不失测量精度的多量程测力传感器。

本发明是这样实现的：测力传感器除了具有一个承力压头和底盘外，还有一个轮辐式工字形一体结构的复合弹性体，它由上下两个不同几何尺寸的轮辐形状体，中间用柱体(实心或空心的)沿三者的轴线连成一体的复合弹性体构成。也可以由上面是一个轮辐形状体和下面两个在同一个平面上、同轴心的轮辐形状体，在上下轮辐形状体之间用柱体沿它们的轴线相连成一体的复合弹性体构成。这两种结构形式的复合弹性体上分别有三个或四个刚性不同、固有频率不同的应变区，因此，可以有三个或四个量程的输出。显然，只要经过工艺上的局部放宽和结构上的舍取，则可以作为双量程测力传感器使用。

本发明中与复合弹性体相联接的承力压头和底盘是辅助复合弹性体承受作用力的零件，同时用它与复合弹性体形成多量程间的转换间隙(同时也是过载保护间隙)。这些间隙的大小是依据复合弹性体受作用力后产生的变形精确计算而得到的，因而可以使得两个或三个较低量程的应变部位在承受预定载荷后立即得到准确的量程转换和可靠的过载保护。

复合弹性体依靠轮毂把本身各受力作用部位刚性的连结成一体，同时由于轮毂的中间部位也是传感器测量高量程力值的应变区，所以它无论设计成柱状实体还是空心柱体都有很高的强度和刚度，足以保持复合弹性体上各应变区在工作过程中的可靠性和稳定性。

本传感器可根据设计需要：在复合弹性体的各个应变区相应的部位粘贴电阻应变片，并组成测量电桥组，以构成受弯曲应力、剪应力、压(或拉)应力等多量程的应变式测力传感器。

本发明在结构形式上采用了轮辐式工字形一体结构的复合弹性体，通过使这种弹性体本身结构的伸长、缩短，以及轮辐的增减和延伸可获得多个应变区，从而根据需要很方便的设计成三量程或四量程的测力传感器，而避免了分离体结沟弹性体在增加量程数时随之带来的辅助零件随单个弹性体数目成3-4倍增多。

第二，从性能上看，由于本发明的弹性体是轮辐式工字形的一体结构形式，可以保持轮辐应变梁和柱式应变区(轮毂)在工作过程中的可靠性和稳定性，使它具有较强的抗偏载和抗侧向力的特点。它和分离体结构的复合弹性体相比，无须增加任何滑动-滚动摩擦的运动导轨副或辅助支持构件和联接件，以及任何不合理的，可能给传感器的非线性度、滞后、不重复度等主要技术指标带来不利影响的支撑、联接、接触平面、接触点等，使得传感器产生误差的因素大大减少。也就是说，可以提高多量程测力传感器的精度。

第三，由于上述二个因素，使得本发明的多量程测力传感器可以在垂直方向到水平方向90度范围内任意安装使用，从而扩大了应用范围。

第四，本发明的多量程测力传感器的每一个量程都可以设计成双输出的形式，因此对于那些不能重复的一次性测量的数据的取得提供了可靠的保证，也就是提高了传感器的可靠性。

第五，本发明的传感器的每一个量程都是从零开始，而且在满量程范围内可分区段地连续进行测量。因此，它保证了在测量幅度变化大的连续工作力值的测量过程中，在全量程范围内提高了各区段的测量精度。众所周知，在全量程范围内，量程区段分得越多，各分区段的测量精度越高。

本发明可应用在各种物资的秤重，力值的计量，以及各种动态力的测量工程中。

一、用于物资的秤重。

例如：在物资供应站或仓库装卸货物秤重通常都是用移动式吊车、吊车的计量部分就是一个(或一组)测力传感器再加上显示仪表或打印机，在装卸货物的同时实现了自动计量、计价。在使用单量程传感器的情况下，一个起重量为20吨的吊车，就只能装卸那些重量大，价格低的货物。但是物资供应站或仓库大规模装卸货物的规格、重量往往相当分散，如果要对各种种类、规格、重量级别不同的货物实行方便、准确的计量，采用多量程测力传感器安装在吊车上，就能方便、迅速、准确地自动计量。同理，在商业、粮食、物资等部门，以及机械、冶金、运输等工业部门都可以推广应用。

二、用于计量检定部门

例如在计量检定部门，要检定一台15吨二等标准测力机，在检定过程中要使用三个或四个量程不等的单量程高精度测力传感器。因为，在量程减小时，如不换用相应量程的传感器，检定精度将成倍降低。如果使用一个三量程或四量程的测力传感器，则可保证检定精度，同时使检定工作的时间和程序大大缩短，提高了工作效率。

三、用于动态力的测试

例如：在有些工程中测量动态力时，测试***的工作不能够随意地中断或者重复，也不能在测量过程中进行测力传感器的更迭替换。动态力的力值随时间变化的曲线如图6(a)所示。图中横座标是时间t(秒)；纵座标是测量力值F(吨)。如果采用本发明的多量程测力传感器，可以在满量程范围内分成都是从零开始的四个量程：：O-F₁；O-F₂；O-F₃；O-F₄。从而增大各分区段的电输出信号，降低电噪声的影响，也就是使每个量程都可获得最佳的输出信号，提高了各分区段的测量精度，使测试工作在量程有变换的情况下随时间的延伸进行连续的不失精度的测量。

图6(b)是四量程测力传感器的输出特性曲线。横座标是测量力值F(吨)；纵座标是传感器输出值Vs(mV/V)。M、N、Q、W分别是四个相应量程的输出特性曲线。当低量程区段的力值超过其量程时，则变成饱和状态，而最高量程从O-F₄范围内呈线性关系。

根据实际工程测试的需要，这种多量程测力传感器的每个量程都可采用双输出的形式，也就是每个量程都可同时接给两个测试***。这样就可以形成最多有四个量程、共八组测量电桥(R₁～R₈)获得八路电信号输出，且都可分别进行独立测量，互不影响。

图7是四量程测力传感器的测试***图。

下面通过实施例来说明本发明的结构要点和动作过程：

实施例一：

图8是一个三量程测力传感器的示意图。

该传感器包括承力压头〔1〕、复合弹性体〔2〕、底盘〔3〕、以及粘贴在上应变梁〔22〕、下应变梁〔25〕和轮毂〔23〕上的电阻应变片〔5〕、〔6〕和〔8〕，此外还有外壳等未画出。承力压头〔1〕的下平面外圈部分与复合弹性体上轮圈〔21〕的圆环平面刚性联接，由轮毂〔23〕的上端面〔201〕与承力压头〔1〕的下平面形成确定了低量程的转换间隙δ₁。底盘〔3〕与复合弹性体〔2〕的下轮圈〔24〕的下圆环平面亦为刚性联接，这样就由轮毂〔23〕的下端面〔202〕与底盘〔3〕之间形成确定了中量程的转换间隙δ₂。

轮毂〔23〕上部与上轮圈〔21〕之间，是在圆周范围内对称分布的十字形上应变梁〔22〕(即低量程应变梁)，它设计为受弯曲应力的弯曲梁(亦可为受剪应力的剪切梁)。轮毂〔23〕下部与下轮圈〔24〕之间，也是在圆周范围内对称分布的十字形下应变梁〔25〕)(即中量程应变梁)，两应变梁〔22〕，〔25〕的断面不相等，下应变梁为受剪应力的剪切梁。轮毂〔23〕)(即高量程应变柱体)为受压应力的柱式弹性体。

动作过程如下：

当载荷F施加在承力压头〔1〕的半形体上时，它就把载荷F沿承力压头的下平面外圈均匀地传递给复合弹性体上轮圈〔21〕，再经上应变梁〔22〕、轮毂〔23〕、下应变梁〔25〕、下轮圈〔24〕作用到底盘〔3〕上，当荷载从零增加到F₁时，上应变梁〔22〕发生变形，粘贴在上应变梁上的电阻应变片〔5〕所组成的测量电桥就有输出，便可检测到载荷O-F₁。

当施加在承力压头〔1〕上的载荷F≥F₁时，量程转换间隙δ₁闭合为零。防止了因载荷F＞F₁时可能对上应变梁〔22〕的损伤。

载荷F继续增大，在F₁∠F∠F₂时，载荷F直接通过承力压头〔1〕传递给轮毂〔23〕，再经下应变梁〔25〕、下轮圈〔24〕作用到底盘〔3〕上。由于载荷从零增加到F₂时，下应变梁〔25〕始终发生变形。粘贴在下应变梁〔25〕上的电阻应变片〔6〕所组成的测量电桥也始终有输出，便可检测到载荷O-F₂。量程转换间隙δ₂则是防止载荷F大于F₂时，可能对下应变梁〔25〕引起损伤或破坏。当F≥F₂时，δ₂闭合为零。

当F₂∠F≤F₃时，载荷F直接通过承力压头〔1〕传递给轮毂〔23〕作用到底盘〔3〕上，轮毂〔23〕也始终产生压缩变形，粘贴在轮毂〔23〕上的电阻应变片〔8〕所组成的测量电桥也始终有输出，便可检测到载荷O-F₃。一般来说，柱式弹性体承载能力非常大。因此，多量程测力传感器的三个量程可以在很大的测量范围内任意安排比例，以完成多种特殊要求的高精度力值测量。

实施例二：

图9是一种三量程测力传感器的结构示意图。它的结构和动作原理与实施例一大体相同，不同之处只是第三应变区为一筒状圆柱体〔26〕。筒状圆柱体抗弯能力强、重量轻，因此这种结构有利于在水平方向测量推力。

图中其他标号的说明同图8。

实施例三：

图10是一种四量程测力传感器的结构示意图。这种传感器由承力压头〔1〕、复合弹性体〔2〕、上底盘〔3〕和下底盘〔4〕组成。其复合弹性体由上面是一个轮幅形状体和下面为两个在同一平面上、同轴心的轮幅形状体，几何尺寸不相等，且各有四个应变梁(辐条)，两组应变梁〔25〕、〔29〕在圆周方向一一对应、相差45度，均匀分布。在上下轮辐形状体之间用圆柱体(即轮毂〔23〕)相连成为一个整体。上轮圈〔21〕和承力压头〔1〕之间的结构形成、下内轮圈〔24〕和上底盘〔3〕之间的结构形成、转换间隙δ₁和δ₂的形成和动作原理都和本实施例一相同。另外，下外轮圈〔28〕的下圆环平面和下底盘〔4〕外圈的圆环上平面〔401〕刚性联接，使上底盘〔3〕的下平面〔302〕和下底盘〔4〕的凹面〔402〕形成量程转换间隙δ₃。这种测力传感器有四个应变区，由粘贴在应变区各相应部位上的电阻应变片〔5〕、〔6〕、〔7〕、〔8〕组成测量电桥组。各测量电桥可独立输出。

四量程测力传感器的动作过程如下：F₁和F₂的测量和实施例一相同。当载荷F继续增加超过F₂时，复合弹性体的外圈应变梁〔29〕继续变形。当F增加达到或超过F₃时，δ₃闭合为零。载荷F再继续增加直至额定值F₄的这一过程，复合弹性体中间的圆柱体〔23〕始终发生压缩变形。粘贴在各应变区的电阻应变片〔5〕、〔6〕、〔7〕、〔8〕所组成的测量电桥分别检测到载荷：O-F₁；O-F₂；O-F₃；O-F₄。

这种四量程测力传感器的输出特性曲线见图6(b)，测试***可参阅图7。

实施例四：

显然，只要经过结构上的局部舍取，就可以作为双量程测力传感器使用。

例如：图11是一种双量程(四输出)测力传感器的示意图，它只是缩短了复合弹性体中间的柱体部份，使中间柱体仅起连接作用。如实施例一所述，它可完成对载荷O～F₁和O～F₂测量。

图中的标号的说明同图8。

Claims (3)

1.一种每一个量程均具有单或双输出的，由承力压头〔1〕、供测量用的应变区上粘贴有电阻应变片的弹性体〔2〕、底盘〔3〕刚性联接，利用间隙完成量程转换的多量程测力传感器，其特征是该弹性体是一个由上下两个不同几何尺寸的轮辐形状体、且其上面的应变梁〔22〕、〔25〕断面尺寸不相等，中间用柱体(即轮毂〔23〕)沿三者的轴心线连接起来的整体结构，即轮辐式工字形一体结构的复合弹性体。此复合弹性体上有三个不同刚度的应变区。在轮毂〔23〕的上端面〔201〕与承力压头〔1〕的下平面之间，以及轮毂〔23〕的下端面〔202〕与底盘〔3〕之间形成多量程的转换间隙δ₁、δ₂。

2.根据权利要求1的测力传感器，其特征是轮毂〔23〕为空心柱体。

3.根据权利要求1的测力传感器，其特征是所述的复合弹性体的下轮辐由两个在同一平面上、同轴心的轮辐形状体构成，每个轮辐形状体上各有一组应变梁，且两组应变梁〔25〕、〔29〕几何尺寸不相等，在圆周方向一一对应、相差45度，均匀分布。测力传感器的底盘由上底盘〔3〕和下底盘〔4〕两部分组成，上底盘〔3〕的上平面与下内轮圈〔24〕的下圆环平面刚性联接，轮毂〔23〕的下端面和上底盘〔3〕的上平面之间形成量程转换间隙δ₂。另外，下外轮圈〔28〕的下圆环平面与下底盘〔4〕外圈的圆环平面〔401〕刚性联接，使上底盘的下平面〔302〕与下底盘〔4〕的凹面〔402〕之间形成量程转换间隙δ₃。

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