一種分體式二維力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分體式二維力傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。包括連接頭，矩形截面梁，中空筒形構(gòu)件。所述矩形截面梁的頂部具有第一螺孔，底部具有第二螺孔，相對(duì)的第一側(cè)面和第二側(cè)面上黏貼至少一對(duì)第一應(yīng)變片；所述連接頭底部設(shè)置有與矩形截面梁的第一螺孔相配合的連接螺桿；所述中空筒形構(gòu)件的頂部具有向外伸出的上螺桿，底部具有向外伸出的下螺桿，側(cè)面開有導(dǎo)線孔，底部?jī)?nèi)表面黏貼至少一對(duì)第二應(yīng)變片，第二應(yīng)變片的導(dǎo)線從導(dǎo)線孔中引出；所述上螺桿與矩形截面梁的第二螺孔相配合，從而固定中空筒形構(gòu)件和矩形截面梁；下螺桿固定被測(cè)結(jié)構(gòu)物。該分體式二維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積輕巧，可用于離心模型試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)物的多維受力測(cè)試。
【專利說(shuō)明】
一種分體式二維力傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)力傳感器，具體涉及一種分體式二維力傳感器，可用于離心模 型試驗(yàn)條件下結(jié)構(gòu)物的多維受力測(cè)試。
【背景技術(shù)】
[0002] 多維力傳感器是一種能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力及力矩分量的力傳感器，廣泛 應(yīng)用于機(jī)器人、自動(dòng)控制、工業(yè)制造、土木工程等等領(lǐng)域。在土工離心模型試驗(yàn)中，通常需要 對(duì)土體中結(jié)構(gòu)物的受力進(jìn)行測(cè)量，從而直接獲得結(jié)構(gòu)物在各種工況下的響應(yīng)。由于土體條 件復(fù)雜且變形模式多種多樣，結(jié)構(gòu)物往往會(huì)受到多個(gè)方向的荷載作用，有必要采用多維度 力傳感器進(jìn)行測(cè)試。用于離心機(jī)模型試驗(yàn)上的傳感器與一般的傳感器不同，所受離心加速 度很高，測(cè)量傳感器必須在滿足基本測(cè)試精度指標(biāo)的前提下，對(duì)其本身的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)、 體積、測(cè)試精度等提出更高要求。有關(guān)多維力傳感器的研究，已經(jīng)形成多種專利技術(shù)，如CN 2066134U公開了一中圓筒形上下結(jié)構(gòu)六維力/力矩傳感器，具有精度高、易加工等優(yōu)點(diǎn)，但 該結(jié)構(gòu)徑向軸向尺寸較大。CN 101329207A專利公開了一種雙層上下結(jié)構(gòu)的多位力傳感器， 該傳感器采用Stewart式并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了精度，但結(jié)構(gòu)不緊湊，體積較大，難以安裝。CN 202281665U專利公開了一種懸臂梁式二維力傳感器，能夠測(cè)量二維平面內(nèi)力的大小和方 向，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，量程不夠大，不能承受較大扭矩。這類傳感器普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易安裝;體 積和質(zhì)量較大，會(huì)直接影響離心模型試驗(yàn)結(jié)果;且不能承受較大的扭矩。就連技術(shù)較為成熟 的德國(guó)ME多維力傳感器，也存在同樣的缺點(diǎn)，當(dāng)其量程為500N~5kN，體積可達(dá)120mm X 120mm X30mmm或更大，重量均在2kg及以上，難以滿足離心模型試驗(yàn)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種分體式二維力傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，能抵抗較大扭矩，且可根據(jù)需求改變量程，保證測(cè)量精度。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種分體式二維力傳感器，包括連 接頭、矩形截面梁和中空筒形構(gòu)件;所述矩形截面梁的頂部具有第一螺孔，底部具有第二螺 孔，相對(duì)的第一側(cè)面和第二側(cè)面上黏貼至少一對(duì)第一應(yīng)變片;所述連接頭底部設(shè)置有與矩 形截面梁的第一螺孔相配合的連接螺桿;所述中空筒形構(gòu)件的頂部具有向外伸出的上螺 桿，底部具有向外伸出的下螺桿，側(cè)面開有導(dǎo)線孔，底部?jī)?nèi)表面黏貼至少一對(duì)第二應(yīng)變片， 第二應(yīng)變片的導(dǎo)線從導(dǎo)線孔中引出；所述上螺桿與矩形截面梁的第二螺孔相配合，從而固 定中空筒形構(gòu)件和矩形截面梁;下螺桿固定被測(cè)結(jié)構(gòu)物。
[0005] 進(jìn)一步地，所述連接頭、矩形截面梁以及中空筒形構(gòu)件采用鋁合金材料制成。
[0006] 進(jìn)一步地，所述矩形截面梁以及中空筒形構(gòu)件在試驗(yàn)過(guò)程中不允許發(fā)生塑性變 形。
[0007] 進(jìn)一步地，所述第一螺孔和第二螺孔在同一中軸線上。
[0008] 進(jìn)一步地，每對(duì)第一應(yīng)變片對(duì)稱置于第一側(cè)面和第二側(cè)面，其數(shù)量可根據(jù)矩形截 面梁的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，布置位置需滿足圣維南原理。
[0009] 進(jìn)一步地，所述連接頭可根據(jù)試驗(yàn)需求用螺桿替換。
[0010] 進(jìn)一步地，所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片的每對(duì)應(yīng)變片之間采用惠斯通全橋電路 連接。
[0011] 進(jìn)一步地，所述矩形截面梁上部可設(shè)置標(biāo)尺，方便確認(rèn)被測(cè)結(jié)構(gòu)物與第一應(yīng)變片 間距離。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0013] (1)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能抵抗較大扭矩，且可根據(jù)需求改變量程。
[0014] (2)該傳感器數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，且測(cè)量精度較高。
[0015] (3)該傳感器質(zhì)量較輕、體積較小、容易安裝，可滿足離心機(jī)模型試驗(yàn)對(duì)傳感器的 要求。
[0016] (4)本設(shè)備原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，使用效果好，便于推廣使用。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是本發(fā)明的二維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，（a)為立體圖，（b)為側(cè)視圖；
[0018] 圖中：連接頭1;矩形截面梁2;第一螺孔2-1;第二螺孔2-2;中空筒形構(gòu)件3;上螺桿 3-1;下螺桿3-2;導(dǎo)線孔3-3;第一應(yīng)變片4-1;第二應(yīng)變片4-2。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明提供的一種分體式二維力傳感器，包括連接頭1、矩形截面梁2 和中空筒形構(gòu)件3。該連接頭1、矩形截面梁2以及中空筒形構(gòu)件3可采用鋁合金材料制成。
[0021] 所述矩形截面梁2的頂部具有第一螺孔2-1，底部具有第二螺孔2-2,所述第一螺孔 2-1和第二螺孔2-2在同一中軸線上;相對(duì)的第一側(cè)面2-3和第二側(cè)面2-4上黏貼至少一對(duì)第 一應(yīng)變片4-1，每對(duì)第一應(yīng)變片4-1對(duì)稱置于第一側(cè)面2-3和第二側(cè)面2-4,其數(shù)量可根據(jù)矩 形截面梁2的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)變片4-1布置需滿足圣維南原理。所述矩形截面梁2上可以設(shè) 置標(biāo)尺，方便確認(rèn)被測(cè)結(jié)構(gòu)物與第一應(yīng)變片4-1間距離。
[0022] 所述連接頭1為一中空?qǐng)A筒，用來(lái)連接反力梁，該結(jié)構(gòu)可根據(jù)試驗(yàn)需求用螺桿替 換;所述連接頭1底部設(shè)置有與矩形截面梁2的第一螺孔2-1相配合的連接螺桿。
[0023]所述中空筒形構(gòu)件3的頂部具有向外伸出的上螺桿3-1，底部具有向外伸出的下螺 桿3-2，側(cè)面開有導(dǎo)線孔3-3，底部?jī)?nèi)表面黏貼至少一對(duì)第二應(yīng)變片4-2，第二應(yīng)變片4-2的導(dǎo) 線從導(dǎo)線孔3-3中引出；所述上螺桿3-1與矩形截面梁2的第二螺孔2-2相配合，從而固定中 空筒形構(gòu)件3和矩形截面梁2;下螺桿固定3-2被測(cè)結(jié)構(gòu)物。
[0024] 所述第一應(yīng)變片4-1和第二應(yīng)變片4-2的每對(duì)應(yīng)變片之間采用惠斯通全橋電路連 接。
[0025] 所述矩形截面梁2以及中空筒形構(gòu)件3在試驗(yàn)過(guò)程中不允許發(fā)生塑性變形。
[0026]該分體式二維力傳感器作用原理如下：
[0027]根據(jù)試驗(yàn)要求選擇適宜量程和尺寸的矩形截面梁2以及中空筒形構(gòu)件3。將貼有應(yīng) 變片的矩形截面梁2、中空筒形構(gòu)件3與連接頭1這三部分組裝起來(lái)，并與外部構(gòu)件連接;其 中連接頭1與反力架固定，中空筒形構(gòu)件3與被測(cè)結(jié)構(gòu)物連接。
[0028] 試驗(yàn)過(guò)程中該分體式二維力傳感器可用于測(cè)量被測(cè)結(jié)構(gòu)物的Z方向和Y方向的受 力。當(dāng)矩形截面梁2和中空筒形構(gòu)件3變形時(shí)，上部應(yīng)變片電阻也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，該電阻 變化值可表征被測(cè)結(jié)構(gòu)物的受力大小。
[0029] 由于矩形截面梁2在Z方向的厚度遠(yuǎn)大于Y方向的厚度，因此該構(gòu)件對(duì)Y方向的作用 力敏感，對(duì)Z方向的作用力不敏感，可以測(cè)量Y方向的受力。而中空筒形構(gòu)件3在Z方向的變形 遠(yuǎn)大于Y方向的變形，因此其Z方向的作用力敏感，對(duì)Y方向的作用力不敏感，可以測(cè)量Y方向 的受力。
[0030] 該分體式二維力傳感器使用前需進(jìn)行標(biāo)定，得出標(biāo)定矩陣，通過(guò)該矩陣可反推被 測(cè)結(jié)構(gòu)物的受力狀態(tài)。
[0031] 標(biāo)定矩陣如式（1)所示：
[0033]式中：N、M分別代表豎向力、彎矩，相應(yīng)的UN和Um分別為軸力計(jì)、彎矩應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的 電壓值變化量。
[0034] Knn--當(dāng)彎矩為定值時(shí)，改變N時(shí)，軸力計(jì)的電壓值變化量；
[0035] Knm--當(dāng)豎向力為定值時(shí)，改變?chǔ)瑫r(shí)，軸力計(jì)的電壓值變化量；
[0036] Κμν一一當(dāng)彎矩為定值時(shí)，改變?chǔ)瓡r(shí)，彎矩應(yīng)變片的電壓值變化量；
[0037] Κμμ一一當(dāng)豎向力為定值時(shí)，改變彎矩時(shí)，彎矩應(yīng)變片的電壓值變化量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分體式二維力傳感器，其特征在于，包括連接頭（1)、矩形截面梁(2)和中空筒形 構(gòu)件(3);所述矩形截面梁(2)的頂部具有第一螺孔(2-1)，底部具有第二螺孔(2-2)，相對(duì)的 第一側(cè)面(2-3)和第二側(cè)面(2-4)上黏貼至少一對(duì)第一應(yīng)變片(4-1);所述連接頭（1)底部設(shè) 置有與矩形截面梁(2)的第一螺孔(2-1)相配合的連接螺桿;所述中空筒形構(gòu)件(3)的頂部 具有向外伸出的上螺桿(3-1 )，底部具有向外伸出的下螺桿(3-2)，側(cè)面開有導(dǎo)線孔(3-3)， 底部?jī)?nèi)表面黏貼至少一對(duì)第二應(yīng)變片(4-2)，第二應(yīng)變片(4-2)的導(dǎo)線從導(dǎo)線孔(3-3)中引 出；所述上螺桿(3-1)與矩形截面梁（2)的第二螺孔(2-2)相配合，從而固定中空筒形構(gòu)件 (3)和矩形截面梁(2);下螺桿(3-2)固定被測(cè)結(jié)構(gòu)物。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，所述連接頭（1)、矩形 截面梁(2)以及中空筒形構(gòu)件(3)采用鋁合金材料制成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，所述矩形截面梁（2) 以及中空筒形構(gòu)件(3)在試驗(yàn)過(guò)程中不允許發(fā)生塑性變形。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，所述第一螺孔(2-1) 和第二螺孔(2-2)在同一中軸線上。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，每對(duì)第一應(yīng)變片(4-1)對(duì)稱置于第一側(cè)面(2-3)和第二側(cè)面(2-4 )，其數(shù)量可根據(jù)矩形截面梁(2)的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào) 整，布置位置需滿足圣維南原理。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，所述連接頭（1)可根 據(jù)試驗(yàn)需求用螺桿替換。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，所述第一應(yīng)變片(4-1)和第二應(yīng)變片(4-2)的每對(duì)應(yīng)變片之間采用惠斯通全橋電路連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式二維力傳感器，其特征在于，所述矩形截面梁（2) 上部可以設(shè)置標(biāo)尺，方便確認(rèn)被測(cè)結(jié)構(gòu)物與第一應(yīng)變片(4-1)間距離。
【文檔編號(hào)】G01L1/22GK106092391SQ201610561424
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月14日
【發(fā)明人】黃博, 劉婧雯, 凌道盛, 黃錦書, 姚罡, 廖凱龍
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)