本實用新型涉及一種測力傳感器，具體涉及一種分體式二維力傳感器，可用于離心模型試驗條件下結(jié)構(gòu)物的多維受力測試。
背景技術(shù)：
多維力傳感器是一種能夠同時測量兩個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中，通常需要對土體中結(jié)構(gòu)物的受力進(jìn)行測量，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)物往往會受到多個方向的荷載作用，有必要采用多維度力傳感器進(jìn)行測試。用于離心機(jī)模型試驗上的傳感器與一般的傳感器不同，所受離心加速度很高，測量傳感器必須在滿足基本測試精度指標(biāo)的前提下，對其本身的使用環(huán)境、結(jié)構(gòu)、體積、測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，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，會直接影響離心模型試驗結(jié)果；且不能承受較大的扭矩。就連技術(shù)較為成熟的德國ME多維力傳感器，也存在同樣的缺點，當(dāng)其量程為500N～5kN，體積可達(dá)120mm×120mm×30mmm或更大，重量均在2kg及以上，難以滿足離心模型試驗要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的在于針對現(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)簡單，能抵抗較大扭矩，且可根據(jù)需求改變量程，保證測量精度。
本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(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，相對的第一側(cè)面和第二側(cè)面上黏貼至少一對第一應(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，底部內(nèi)表面黏貼至少一對第二應(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；下螺桿固定被測結(jié)構(gòu)物。
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。
進(jìn)一步地，所述矩形截面梁以及中空筒形構(gòu)件在試驗過程中不允許發(fā)生塑性變形。
進(jìn)一步地，所述第一螺孔和第二螺孔在同一中軸線上。
進(jìn)一步地，每對第一應(yīng)變片對稱置于第一側(cè)面和第二側(cè)面，其數(shù)量可根據(jù)矩形截面梁的長度進(jìn)行調(diào)整，布置位置需滿足圣維南原理。
進(jìn)一步地，所述連接頭可根據(jù)試驗需求用螺桿替換。
進(jìn)一步地，所述第一應(yīng)變片和第二應(yīng)變片的每對應(yīng)變片之間采用惠斯通全橋電路連接。
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)被測結(jié)構(gòu)物與第一應(yīng)變片間距離。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：
(1)本實用新型的結(jié)構(gòu)簡單，能抵抗較大扭矩，且可根據(jù)需求改變量程。
(2)該傳感器數(shù)據(jù)采集和信號處理過程簡單，且測量精度較高。
(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)模型試驗對傳感器的要求。
(4)本設(shè)備原理簡單，實現(xiàn)成本低，使用效果好，便于推廣使用。
附圖說明
圖1是本實用新型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；
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。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，本實用新型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。
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；相對的第一側(cè)面2-3和第二側(cè)面2-4上黏貼至少一對第一應(yīng)變片4-1，每對第一應(yīng)變片4-1對稱置于第一側(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)被測結(jié)構(gòu)物與第一應(yīng)變片4-1間距離。
所述連接頭1為一中空圓筒，用來連接反力梁，該結(jié)構(gòu)可根據(jù)試驗需求用螺桿替換；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。
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，底部內(nèi)表面黏貼至少一對第二應(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被測結(jié)構(gòu)物。
所述第一應(yīng)變片4-1和第二應(yīng)變片4-2的每對應(yīng)變片之間采用惠斯通全橋電路連接。
所述矩形截面梁2以及中空筒形構(gòu)件3在試驗過程中不允許發(fā)生塑性變形。
該分體式二維力傳感器作用原理如下：
根據(jù)試驗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，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與被測結(jié)構(gòu)物連接。
試驗過程中該分體式二維力傳感器可用于測量被測結(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，上部應(yīng)變片電阻也會發(fā)生相應(yīng)的變化，該電阻變化值可表征被測結(jié)構(gòu)物的受力大小。
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Y方向的作用力敏感，對Z方向的作用力不敏感，可以測量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Y方向的作用力不敏感，可以測量Y方向的受力。
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，通過該矩陣可反推被測結(jié)構(gòu)物的受力狀態(tài)。
標(biāo)定矩陣如式(1)所示：
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、彎矩應(yīng)變片對應(yīng)的電壓值變化量。
KNN——當(dāng)彎矩為定值時，改變N時，軸力計的電壓值變化量；
KNM——當(dāng)豎向力為定值時，改變M時，軸力計的電壓值變化量；
KMN——當(dāng)彎矩為定值時，改變N時，彎矩應(yīng)變片的電壓值變化量；
KMM——當(dāng)豎向力為定值時，改變彎矩時，彎矩應(yīng)變片的電壓值變化量。