專利名稱：變靈敏度荷載傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬控制科學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及變靈敏度式荷載傳感裝置，在荷載作用下可以實(shí)現(xiàn)變靈敏度測(cè)量。
背景技術(shù)：
隨著結(jié)構(gòu)工程的蓬勃發(fā)展，人們?cè)桨l(fā)重視結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與新型結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的應(yīng)用研究。采集的數(shù)據(jù)作為監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)的研究基礎(chǔ)，也需要進(jìn)一步提高精度。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始運(yùn)用多種材料作為敏感元件制成傳感器/變送器進(jìn)行應(yīng)用探索研究。其中，高靈敏度應(yīng)變計(jì)在制作工藝和應(yīng)用領(lǐng)域中有了長(zhǎng)足的發(fā)展。工藝技術(shù)的日趨完善、性能更為穩(wěn)定，使傳感器的集成化、微型化以及智能化成為可能，最終實(shí)現(xiàn)智能型結(jié)構(gòu)。要達(dá)到這個(gè)目的，利用高靈敏度傳感器(計(jì))進(jìn)行測(cè)試，獲得較為準(zhǔn)確荷載作用情況，以及這些荷載或自身因素引起的變形和應(yīng)力分布情況，了解結(jié)構(gòu)或構(gòu)件試驗(yàn)中模型受力的全過程。
目前，高靈敏度傳感材料有許多種。半導(dǎo)體材料作為其中之一具有優(yōu)良的機(jī)械、物理性能，材質(zhì)純、內(nèi)耗低、功耗小，滯后和蠕變幾乎為零，并且機(jī)械穩(wěn)定性好，是理想的敏感材料。半導(dǎo)體的靈敏系數(shù)比金屬高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，并且制造工藝與集成電路工藝有很好的兼容性。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)根據(jù)制作工藝不同可以分為(1)體形半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)；(2)擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)；(3)薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。
目前高靈敏度傳感器主要應(yīng)用于低應(yīng)力、小應(yīng)變等測(cè)試領(lǐng)域。尚未涉及高應(yīng)力、大變形結(jié)構(gòu)中。究其原因?yàn)樵诟哽`敏度傳感器中，由于傳感材料的靈敏系數(shù)高，在低輸入的情況下，輸出較大，致使傳感器輸入、輸出線性范圍小，不適合在大應(yīng)變結(jié)構(gòu)環(huán)境中直接埋設(shè)或粘貼使用。低靈敏度傳感器的量程雖然比高靈敏度傳感器寬，但在高輸入的情況下，輸出較小，精度常常不能滿足精細(xì)測(cè)試的要求。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，出于安全的需要，結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際承載能力遠(yuǎn)大于使用階段的受力。比如在混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，開裂荷載和極限承載力是兩個(gè)控制荷載，由于混凝土材料抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相差10倍左右，兩個(gè)控制荷載也相差很大。因此，需要一種傳感器在低應(yīng)力(≤10Mpa)環(huán)境下進(jìn)行高精度測(cè)試，而在高應(yīng)力(＞10Mpa)環(huán)境中為了實(shí)現(xiàn)大量程允許測(cè)試精度有所降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的變靈敏度傳感裝置。當(dāng)荷載處于量程的前半程時(shí)，傳感裝置能提供較高的測(cè)試精度；在荷載達(dá)到傳感裝置量程的后半部分時(shí)，可以進(jìn)行較低精度的測(cè)試，進(jìn)而擴(kuò)展傳感器的總量程。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種變靈敏度荷載傳感裝置，包括基座、加載頭和高靈敏度應(yīng)變計(jì)，還包括第一彈性體，設(shè)置在基座內(nèi)并與加載頭的下端相連接，所述高靈敏度應(yīng)變計(jì)安裝在第一彈性體上；以及第二彈性體，設(shè)置在第一彈性體的下方，并與第一彈性體之間設(shè)有預(yù)留間隙。
本發(fā)明變靈敏度荷載傳感裝置的工作原理為當(dāng)荷載處于總量程的前半部分時(shí)，只有第一彈性體在荷載的作用下參與工作，粘貼在第一彈性體上的高靈敏度應(yīng)變計(jì)隨之產(chǎn)生應(yīng)變，傳感裝置輸出信號(hào)，此時(shí)彈性體剛度較小，因此傳感裝置靈敏度較高。荷載繼續(xù)增加，第一彈性體變形加大，變形量達(dá)到預(yù)留間隙后，第一彈性體和第二彈性體相互接觸，第一彈性體和第二彈性體在荷載作用下共同工作，第一彈性體和第二彈性體的剛度之和較第一彈性體的剛度有大幅增加，在相同荷載增量中，粘貼有高靈敏度應(yīng)變計(jì)的第一彈性體變形較小，傳感裝置靈敏度降低，從而增加了傳感器的量程。
作為上述技術(shù)方案的第一種優(yōu)選方案，所述第一彈性體與第二彈性體為桿狀結(jié)構(gòu)，第一彈性體與第二彈性體垂直交叉布置且其兩端均簡(jiǎn)支在基座上，加載頭的下端頂在第一彈性體的跨中處。第一彈性體和第二彈性體在基座上形成簡(jiǎn)支梁，第一彈性體的跨中處在加載頭的作用下向下變形，當(dāng)其變形量超過預(yù)留間隙后，第一彈性體和第二彈性體相接觸，剛度增加，量程加大，靈敏度降低，從而實(shí)現(xiàn)變靈敏度測(cè)量。
上述優(yōu)選方案中，所述基座可以為圓管狀，基座內(nèi)側(cè)對(duì)稱地設(shè)有兩對(duì)縱向槽，兩對(duì)縱向槽的槽底分別處在兩個(gè)水平面上，第一彈性體的兩端放置在第一對(duì)縱向槽內(nèi)，第二彈性體的兩端放置在第二對(duì)縱向槽內(nèi)。這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以使第一彈性體和第二彈性體在基座上形成簡(jiǎn)支。
作為對(duì)上述優(yōu)選方案的一種改進(jìn)，所述加載頭的下端呈尖銳的刀口狀且刀口的方向與第一彈性體的軸線相垂直，所述第二彈性體的跨中處上側(cè)面設(shè)有一圓形突起。這些措施可以保證第一彈性體和第二彈性體僅在跨中處承受載荷，簡(jiǎn)化受力狀態(tài)，最大限度地保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
作為對(duì)上述優(yōu)選方案的另一種改進(jìn)，在第一彈性體兩端四分之一凈跨處的上下兩側(cè)分別安裝一片高靈敏度應(yīng)變計(jì)。這樣四片應(yīng)變計(jì)可以形成差動(dòng)橋路，消除溫漂和時(shí)漂的影響，并且使測(cè)量的靈敏度提高一倍。
作為本發(fā)明的第二種優(yōu)選方案，所述第一彈性體和第二彈性體均為倒扣的杯狀結(jié)構(gòu)，第一彈性體套在第二彈性體的外面，它們的杯口向下固定在基座上，加載頭的下端頂在第一彈性體的杯底外表面上，第一彈性體的杯底內(nèi)表面與第二彈性體的杯底外表面之間設(shè)有預(yù)留間隙。第一彈性體在加載頭的作用下變形，當(dāng)變形超過預(yù)留間隙后，第一彈性體的杯底內(nèi)表面與第二彈性體的杯底外表面相接觸，彈性體的剛度增加，量程加大，靈敏度降低，從而實(shí)現(xiàn)變靈敏度測(cè)量。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的傳感裝置可以承受更重的荷載。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明的傳感裝置的作用原理圖。
圖2是本發(fā)明的一種變靈敏度傳感裝置中彈性體在基座中的布置方式示意圖。
圖3是沿圖2中A-A處的剖視圖。
圖4是沿圖2中B-B處的剖視圖。
圖5是本發(fā)明的另一種變靈敏度傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的傳感裝置的作用原理是由第一彈性體先承受荷載，進(jìn)行高靈敏度測(cè)量，當(dāng)荷載繼續(xù)加大時(shí)，第二彈性體同時(shí)參與承受荷載，使傳感裝置的靈敏度降低，但量程得到擴(kuò)大。
本發(fā)明的變靈敏度荷載傳感裝置，包括基座4、加載頭6和高靈敏度應(yīng)變計(jì)3、第一彈性體1以及第二彈性體2，第一彈性體1設(shè)置在基座4內(nèi)并與加載頭6的下端相連接，高靈敏度應(yīng)變計(jì)3安裝在第一彈性體1上；第二彈性體2設(shè)置在第一彈性體1的下方，并與第一彈性體1之間設(shè)有預(yù)留間隙9。圖2、圖3、圖4所示的是本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，基座4為圓管狀，基座4內(nèi)側(cè)對(duì)稱地設(shè)有兩對(duì)縱向槽41、42，兩對(duì)縱向槽41、42的槽底分別處在兩個(gè)水平面上，第一彈性體1的兩端放置在第一對(duì)縱向槽41內(nèi)，第二彈性體2的兩端放置在第二對(duì)縱向槽42內(nèi)，這樣第一彈性體1和第二彈性體2在基座4內(nèi)形成兩個(gè)垂直交叉的簡(jiǎn)支梁。加載頭6安裝在上蓋5上的中心孔里，加載頭6與上蓋5的內(nèi)表面之間設(shè)有密封圈7。加載頭6的下端頂在第一彈性體1的跨中處，為了保證第一彈性體1的跨中處單點(diǎn)受力，加載頭6的下端設(shè)計(jì)成刀口狀，且刀口的方向與第一彈性體1的軸線方向垂直。為了保證第二彈性體2的跨中處單點(diǎn)受力，第二彈性體2的跨中處上側(cè)面與第一彈性體1接觸的部位設(shè)有圓形突起8。四片高靈敏度應(yīng)變計(jì)3分別粘貼在第一彈性體1兩端四分之一凈跨處的上下兩側(cè)，這樣便于組成差動(dòng)橋路，以消除溫漂和時(shí)漂的影響，并且提高測(cè)量的靈敏度。
圖5示出了本發(fā)明的第二種優(yōu)選的結(jié)構(gòu)形式，第一彈性體1和第二彈性體2均為倒扣的杯狀結(jié)構(gòu)，第一彈性體1套在第二彈性體2的外面，它們的杯口向下固定在基座4上，高靈敏度應(yīng)變計(jì)3粘貼在第一彈性體1的外表面，加載頭6安裝在上蓋5上的中心孔里，加載頭6的下端頂在第一彈性體1的杯底外表面上，第一彈性體1的杯底內(nèi)表面與第二彈性體2的杯底外表面之間設(shè)有預(yù)留間隙9。當(dāng)?shù)谝粡椥泽w1在荷載的作用下變形超過預(yù)留間隙9時(shí)，第一彈性體1的杯底內(nèi)表面與第二彈性體2的杯底外表面接觸，第一彈性體1與第二彈性體2將同時(shí)承受荷載。
權(quán)利要求
1.一種變靈敏度荷載傳感裝置，包括基座(4)、加載頭(6)和高靈敏度應(yīng)變計(jì)(3)，其特征在于該裝置還包括第一彈性體(1)，設(shè)置在基座(4)內(nèi)并與加載頭(6)的下端相連接，所述高靈敏度應(yīng)變計(jì)(3)安裝在第一彈性體(1)上；第二彈性體(2)，設(shè)置在第一彈性體(1)的下方，并與第一彈性體(1)之間設(shè)有預(yù)留間隙(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特征在于所述第一彈性體(1)與第二彈性體(2)為桿狀結(jié)構(gòu)，第一彈性體(1)與第二彈性體(2)垂直交叉布置且其兩端均簡(jiǎn)支在基座(4)上，加載頭(6)的下端頂在第一彈性體(1)的跨中處。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特征在于所述基座(4)為圓管狀，基座(4)內(nèi)側(cè)對(duì)稱地設(shè)有兩對(duì)縱向槽(41，42)，兩對(duì)縱向槽(41，42)的槽底分別處在兩個(gè)水平面上，第一彈性體(1)的兩端放置在第一對(duì)縱向槽(41)內(nèi)，第二彈性體(2)的兩端放置在第二對(duì)縱向槽(42)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特征在于所述加載頭(6)的下端呈尖銳的刀口狀且刀口的方向與第一彈性體(1)的軸線相垂直，所述第二彈性體(2)的跨中處上側(cè)面設(shè)有一圓形突起(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特征在于所述的高靈敏度應(yīng)變計(jì)(3)共有四片，分別安裝在第一彈性體(1)兩端四分之一凈跨處的上下兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變靈敏度荷載傳感裝置，其特征在于所述第一彈性體(1)和第二彈性體(2)均為倒扣的杯狀結(jié)構(gòu)，第一彈性體(1)套在第二彈性體(2)的外面，它們的杯口向下固定在基座(4)上，加載頭(6)的下端頂在第一彈性體(1)的杯底外表面上，第一彈性體(1)的杯底內(nèi)表面與第二彈性體(2)的杯底外表面之間設(shè)有預(yù)留間隙(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的變靈敏度傳感裝置，包括基座、加載頭和高靈敏度應(yīng)變計(jì)，還包括第一彈性體，設(shè)置在基座內(nèi)并與加載頭的下端相連接，所述高靈敏度應(yīng)變計(jì)安裝在第一彈性體上；以及第二彈性體，設(shè)置在第一彈性體的下方，并與第一彈性體之間設(shè)有預(yù)留間隙。當(dāng)荷載處于量程的前半程時(shí)，只有第一彈性體承受荷載，傳感裝置能提供較高的測(cè)試精度；在荷載達(dá)到傳感裝置量程的后半部分時(shí)，第一彈性體與第二彈性體同時(shí)承受荷載，可以進(jìn)行較低精度的測(cè)試，進(jìn)而擴(kuò)展傳感器的總量程。
文檔編號(hào)G01L19/04GK1737518SQ200510028190
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月27日
發(fā)明者薛偉辰, 李 杰, 徐壯濤 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)