本實(shí)用新型涉及測(cè)力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器。

背景技術(shù)：

目前，一般通過(guò)直接測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)軸載荷測(cè)量，即直接將應(yīng)變敏感原件貼在軸上面進(jìn)行測(cè)量，或者采用單方向的稱重傳感器進(jìn)行測(cè)量。但是，很多場(chǎng)合下，軸載荷的測(cè)量會(huì)受到很多方面的制約，如軸所處的環(huán)境、軸的工作形式、軸上所受載荷的方向變化，傳感器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)等，這些制約條件都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確。例如：在傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于傳送帶與動(dòng)輥之間的包角變化，摩擦力改變，主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速變化等，都會(huì)導(dǎo)致軸的受力方向和大小的變化。由于傳統(tǒng)的稱重傳感器只能提供受力大小的測(cè)量，從而導(dǎo)致機(jī)器控制系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，或者應(yīng)該控制但系統(tǒng)卻沒(méi)有動(dòng)作。因此，怎樣才能對(duì)動(dòng)輥上所受力的大小和方向進(jìn)行有效測(cè)量，為控制系統(tǒng)提供雙參數(shù)，是一個(gè)亟待解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器，通過(guò)測(cè)量彈性體經(jīng)外載荷作用后產(chǎn)生的形變特征來(lái)測(cè)量軸所受的載荷，保證動(dòng)輥連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)工作的同時(shí)，準(zhǔn)確反饋給控制系統(tǒng)動(dòng)輥的受力大小及方向。

為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器，包括彈性體，所述彈性體上的12點(diǎn)，3點(diǎn)，6點(diǎn)和9點(diǎn)方向的母線各安裝有2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)；12點(diǎn)和6點(diǎn)方向的母線上的4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)組成一個(gè)差動(dòng)全橋電路，測(cè)量豎直方向的彎曲應(yīng)變；3點(diǎn)和9點(diǎn)方向的母線上的4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)組成另一個(gè)差動(dòng)全橋電路，測(cè)量水平方向的彎曲應(yīng)變。

上述方案中，每個(gè)方向的母線上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)之間的距離均相等，且其中4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)位于同一個(gè)圓周上，另外4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)位于另一個(gè)圓周上。

上述方案中，對(duì)于每個(gè)差動(dòng)全橋電路，位于同一母線且不同圓周上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)接在差動(dòng)全橋電路中相對(duì)的位置上；位于不同母線且同一圓周上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)形成第一串聯(lián)支路，第一串聯(lián)支路的串聯(lián)連接點(diǎn)為信號(hào)輸出正端；位于不同母線且同一圓周上的另外2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)形成第二串聯(lián)支路，第二串聯(lián)支路的串聯(lián)連接點(diǎn)為信號(hào)輸出負(fù)端；第一串聯(lián)支路與第二串聯(lián)支路并聯(lián)后，并聯(lián)連接點(diǎn)形成該差動(dòng)全橋電路的電源輸入端。

上述方案中，2個(gè)差動(dòng)全橋電路以并聯(lián)方式共用一個(gè)電源，每個(gè)差動(dòng)全橋電路有獨(dú)立的信號(hào)輸出端口。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型利用了軸的外載荷與通過(guò)軸承傳到彈性體后彈性體所受載荷矢量相同，通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)得垂直和水平方向上的兩個(gè)應(yīng)變，根據(jù)牛頓第三定律和虎克定理計(jì)算出外載荷。本實(shí)用新型不同于傳統(tǒng)方法只能測(cè)量單一方向的受力，通過(guò)雙電橋方法，測(cè)量傳感器彈性體橫向和縱向的應(yīng)變，再根據(jù)虎克定理和力的合成原理，計(jì)算出軸載荷的大小以及方向，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的雙參數(shù)輸出，本實(shí)用新型的測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和更換方便。

附圖說(shuō)明

圖1是一種可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器結(jié)構(gòu)的主視圖。

圖2是圖1的左視圖。

圖3是圖1的A-A向剖視圖。

圖4是圖2的B-B向剖視圖。

圖5是一種可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器的電阻應(yīng)變計(jì)連接圖。

圖6是使用狀態(tài)參考圖。

圖7是軸的受力圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1、軸承蓋；2、軸承；3、彈性體；4、電阻應(yīng)變計(jì)；5、連接器；6、外殼；7、支撐座；8、軸。

具體實(shí)施方式

一種可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器，如圖1～4所示，由軸承蓋1、軸承2、彈性體3、電阻應(yīng)變計(jì)4、連接器5、外殼6和支撐座7組成。載荷作用在動(dòng)輥上，動(dòng)輥通過(guò)軸8和軸承2將載荷傳遞到傳感器彈性體3，使得彈性體3受到一個(gè)矢量相同的載荷后產(chǎn)生的彎曲變形，通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)4測(cè)量出彈性體3的外載荷，可計(jì)算出軸8所受的載荷。

電阻應(yīng)變計(jì)4粘貼在彈性體3中段的外側(cè)壁上，用來(lái)測(cè)量彈性體3受到的應(yīng)變。軸承2嵌設(shè)在彈性體3前段的內(nèi)側(cè)，軸承2的外圈與彈性體3前段的內(nèi)側(cè)壁配合，軸承2的內(nèi)圈直徑小于彈性體3中段的內(nèi)側(cè)壁直徑。軸承2的內(nèi)圈直徑與待測(cè)動(dòng)輥軸8的外直徑相等。彈性體3和軸8是通過(guò)軸承2連接的，軸8的外載荷通過(guò)軸承2傳遞給彈性體3，從而使彈性體3產(chǎn)生形變。彈性體3上安裝有軸承蓋1，即軸承蓋1覆蓋在彈性體3的前端，以防止灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入軸承2中。軸承蓋1中部開(kāi)設(shè)有一通孔，軸承蓋1的通孔的直徑與軸承2內(nèi)圈的直徑相等。外殼6嵌套在彈性體3的外側(cè)，并將電阻應(yīng)變計(jì)4包覆在外殼6的內(nèi)側(cè)壁與彈性體3的外側(cè)壁之間的間隙處，起到保護(hù)連接線路和電阻應(yīng)變計(jì)4的作用。外殼6的后端通過(guò)螺紋與彈性體3連接，外殼6的前端與彈性體3之間的邊緣縫隙填充硅膠，保護(hù)彈性體3免受水和油等侵蝕，提高傳感器的耐用度。為了方便電阻應(yīng)變計(jì)4的連接導(dǎo)線的引出，外殼6上設(shè)置有連接器5，電阻應(yīng)變計(jì)4的連接導(dǎo)線由外殼6上設(shè)置的連接器5引出。支撐座7呈豎直設(shè)置，彈性體3的后端固連在支撐座7的側(cè)壁上，且彈性體3的中軸8線與支撐座7的側(cè)壁相垂直。彈性體3通過(guò)螺栓與支撐座7連接。

對(duì)于彈性體3外載荷的測(cè)量，本實(shí)用新型通過(guò)在彈性體3的外表面上粘貼的8個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于每個(gè)差動(dòng)全橋電路，位于12點(diǎn)及6點(diǎn)方向母線上的4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4形成第一差動(dòng)全橋電路，位于3點(diǎn)及9點(diǎn)方向母線上的另外4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4形成第二差動(dòng)全橋電路。其中4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4即第一、第三、第五和第七電阻應(yīng)變計(jì)均布在靠近支撐座7的彈性體3的一個(gè)圓周上，另外4個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4即第二、第四、第六和第八電阻應(yīng)變計(jì)均布在靠近軸承2的彈性體3的另一個(gè)圓周上。第一和第二電阻應(yīng)變計(jì)4位于彈性體12點(diǎn)方向的母線上，第三和第四電阻應(yīng)變計(jì)4位于彈性體6點(diǎn)方向的母線上。即在豎直方向上即彈性體3的上下表面各安裝2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4組成第一個(gè)差動(dòng)全橋電路，用于測(cè)量豎直方向上的應(yīng)變。第五和第六電阻應(yīng)變計(jì)4位于彈性體3點(diǎn)方向的母線上，第七和第八電阻應(yīng)變計(jì)4位于彈性體9點(diǎn)方向的母線上。即在水平方向上即彈性體3左右表面各安裝2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4組成第二個(gè)差動(dòng)全橋電路組，用于測(cè)量水平方向上的應(yīng)變。

第一個(gè)差動(dòng)全橋電路組和第二個(gè)差動(dòng)全橋電路組均采用差動(dòng)全橋接法連接。對(duì)于第一差動(dòng)全橋電路，位于12點(diǎn)方向同一母線上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4分別接在A、B之間與C、D之間，6點(diǎn)方向同一母線上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4接在B、C之間與D、A之間，A接電源正輸入端，C接電源負(fù)輸入端，B為信號(hào)輸出正端，D為信號(hào)輸出負(fù)端；對(duì)于第二差動(dòng)全橋電路，位于3點(diǎn)方向同一母線上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4分別接在E、F之間與G、H之間，9點(diǎn)方向同一母線上的2個(gè)電阻應(yīng)變計(jì)4接在F、G之間與H、E之間，E接電源正輸入端，G接電源負(fù)輸入端，F(xiàn)為信號(hào)輸出正端，H為信號(hào)輸出負(fù)端。第一差動(dòng)全橋電路與第二差動(dòng)全橋電路并聯(lián)后，共用電橋電源的正極和負(fù)極。每個(gè)差動(dòng)全橋電路有獨(dú)立的信號(hào)輸出端口。參見(jiàn)圖5。

此外，傳感器所配置的采集電路集成有微處理器，可執(zhí)行各種運(yùn)算和控制指令，將傳感器兩個(gè)分載荷F₁和F₂及總載荷F的大小及角度計(jì)算后顯示出來(lái)，并傳輸給控制系統(tǒng)。

使用時(shí)，將待測(cè)動(dòng)輥的軸8裝配到本實(shí)用新型的軸承2內(nèi)圈，參見(jiàn)圖6。對(duì)于傳送帶在工作中施加給軸8的外載荷，由于彈性體3的載荷是由軸8通過(guò)軸承2傳遞得到的，可以通過(guò)測(cè)量彈性體3所受載荷得出，測(cè)量?jī)x表上的總載荷大小等于傳送帶施加給軸8的載荷的大小，并且通過(guò)圖7可知，總載荷F與垂直方向的夾角θ可以通過(guò)公式得到，從而得到總載荷F的方向，也就是得到軸8所受載荷的方向，這樣就可以知道傳送帶在生產(chǎn)工作中對(duì)軸8施加載荷的大小和方向了。在工作過(guò)程中，傳送帶給軸8的載荷具有一定的方向性，如果傳送帶給軸8的力的方向超過(guò)一定的范圍就說(shuō)明傳送帶的工作狀態(tài)已經(jīng)不正常，如圖7所示，在F₁F₂坐標(biāo)系中，假定總載荷F的方向在第一象限，說(shuō)明傳送帶工作狀態(tài)正常，如果F在第二、三、四象限的話，說(shuō)明傳送帶工作狀態(tài)不正常，通過(guò)儀器在傳送帶狀態(tài)不正常時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，這樣工廠技術(shù)人員能夠立即處置。通過(guò)測(cè)量?jī)x表，技術(shù)人員也可以隨時(shí)觀察傳送帶的工作狀態(tài)。

具體來(lái)說(shuō)，上述可測(cè)受力角度的動(dòng)輥張力傳感器的測(cè)量方法，包括步驟如下：

步驟1動(dòng)輥受到外載荷的作用，軸8上的載荷通過(guò)軸承2傳遞給彈性體3。由于軸8受到的載荷與彈性體3受到的載荷矢量相同，因此通過(guò)軸承2傳遞引起彈性體3產(chǎn)生應(yīng)變。通過(guò)測(cè)量豎直方向彎曲應(yīng)變的差動(dòng)全橋電路獲得豎直方向的彎曲應(yīng)變?chǔ)?sub>1，通過(guò)測(cè)量水平方向彎曲應(yīng)變的差動(dòng)全橋電路獲得水平方向的彎曲應(yīng)變?chǔ)?sub>2。

步驟2基于胡克定理，根據(jù)豎直方向的彎曲應(yīng)變?chǔ)?sub>1計(jì)算豎直方向的外載荷分力F₁，根據(jù)水平方向的彎曲應(yīng)變?chǔ)?sub>2計(jì)算水平方向的外載荷分力F₂。

式中，E為彈性體3的彈性模量，D為彈性體3敏感區(qū)橫截面外徑，α為彈性體3敏感區(qū)橫截面外徑和內(nèi)徑的比值，l為每條母線上的2個(gè)電阻應(yīng)變片之間的中點(diǎn)離軸承2中心豎直截面的距離，ε₁為豎直方向的彎曲應(yīng)變，F(xiàn)₁為豎直方向的外載荷分力，ε₂為水平方向的彎曲應(yīng)變，F(xiàn)₂為水平方向的外載荷分力。

步驟3基于牛頓第三定律，根據(jù)豎直方向的外載荷分力F₁和水平方向的外載荷分力F₂，求解總載荷力F以及總載荷力與豎直方向的夾角θ，參見(jiàn)圖7，其中：

總載荷力F為：

總載荷力與豎直方向的夾角θ：或

式中，F(xiàn)為總載荷力，θ為總載荷力與豎直方向的夾角，F(xiàn)₁為豎直方向的外載荷分力，F(xiàn)₂為水平方向的外載荷分力。

以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。