本發(fā)明涉及測力傳感器技術領域，具體涉及一種可測受力角度的動輥張力傳感器及測量方法。

背景技術：

目前，一般通過直接測量來實現(xiàn)軸載荷測量，即直接將應變敏感原件貼在軸上面進行測量，或者采用單方向的稱重傳感器進行測量。但是，很多場合下，軸載荷的測量會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，傳感器的結構及參數(shù)等，這些制約條件都會導致測量結果的不準確。例如：在傳送帶轉動過程中，由于傳送帶與動輥之間的包角變化，摩擦力改變，主動軸的轉速變化等，都會導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量，從而導致機器控制系統(tǒng)頻繁動作，使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，或者應該控制但系統(tǒng)卻沒有動作。因此，怎樣才能對動輥上所受力的大小和方向進行有效測量，為控制系統(tǒng)提供雙參數(shù)，是一個亟待解決的難題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可測受力角度的動輥張力傳感器及測量方法，通過測量彈性體經(jīng)外載荷作用后產(chǎn)生的形變特征來測量軸所受的載荷，保證動輥連續(xù)轉動工作的同時，準確反饋給控制系統(tǒng)動輥的受力大小及方向。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種可測受力角度的動輥張力傳感器，包括彈性體，所述彈性體上的12點，3點，6點和9點方向的母線各安裝有2個電阻應變計；12點和6點方向的母線上的4個電阻應變計組成一個差動全橋電路，測量豎直方向的彎曲應變；3點和9點方向的母線上的4個電阻應變計組成另一個差動全橋電路，測量水平方向的彎曲應變。

上述方案中，每個方向的母線上的2個電阻應變計之間的距離均相等，且其中4個電阻應變計位于同一個圓周上，另外另外4個電阻應變計位于另一個圓周上。

上述方案中，對于每個差動全橋電路，位于同一母線且不同圓周上的2個電阻應變計接在差動全橋電路中相對的位置上；位于不同母線且同一圓周上的2個電阻應變計形成第一串聯(lián)支路，第一串聯(lián)支路的串聯(lián)連接點為信號輸出正端；位于不同母線且同一圓周上的另外2個電阻應變計形成第二串聯(lián)支路，第二串聯(lián)支路的串聯(lián)連接點為信號輸出負端；第一串聯(lián)支路與第二串聯(lián)支路并聯(lián)后，并聯(lián)連接點形成該差動全橋電路的電源輸入端。

上述方案中，2個差動全橋電路以并聯(lián)方式共用一個電源，每個差動全橋電路有獨立的信號輸出端口。

一種可測受力角度的動輥張力傳感器的測量方法，包括如下步驟：

步驟1)測量豎直方向彎曲應變的差動全橋電路獲得豎直方向的彎曲應變ε₁，測量水平方向彎曲應變的差動全橋電路獲得水平方向的彎曲應變ε₂；

步驟2)基于胡克定理，根據(jù)豎直方向的彎曲應變ε₁計算豎直方向的外載荷分力F₁，根據(jù)水平方向的彎曲應變ε₂計算水平方向的外載荷分力F₂；

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

步驟3)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，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。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用了軸的外載荷與通過軸承傳到彈性體后彈性體所受載荷矢量相同，通過電阻應變計測得垂直和水平方向上的兩個應變，根據(jù)牛頓第三定律和虎克定理計算出外載荷。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)方法只能測量單一方向的受力，通過雙電橋方法，測量傳感器彈性體橫向和縱向的應變，再根據(jù)虎克定理和力的合成原理，計算出軸載荷的大小以及方向，從而實現(xiàn)傳感器的雙參數(shù)輸出，本發(fā)明的測力傳感器結構簡單，安裝和更換方便。

附圖說明

圖1是一種可測受力角度的動輥張力傳感器結構的主視圖。

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是一種可測受力角度的動輥張力傳感器的電阻應變計連接圖。

圖6是使用狀態(tài)參考圖。

圖7是軸的受力圖。

圖中標號：1、軸承蓋；2、軸承；3、彈性體；4、電阻應變計；5、連接器；6、外殼；7、支撐座；8、軸。

具體實施方式

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

電阻應變計4粘貼在彈性體3中段的外側壁上，用來測量彈性體3受到的應變。軸承2嵌設在彈性體3前段的內側，軸承2的外圈與彈性體3前段的內側壁配合，軸承2的內圈直徑小于彈性體3中段的內側壁直徑。軸承2的內圈直徑與待測動輥軸8的外直徑相等。彈性體3和軸8是通過軸承2連接的，軸8的外載荷通過軸承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，以防止灰塵等雜質進入軸承2中。軸承蓋1中部開設有一通孔，軸承蓋1的通孔的直徑與軸承2內圈的直徑相等。外殼6嵌套在彈性體3的外側，并將電阻應變計4包覆在外殼6的內側壁與彈性體3的外側壁之間的間隙處，起到保護連接線路和電阻應變計4的作用。外殼6的后端通過螺紋與彈性體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。為了方便電阻應變計4的連接導線的引出，外殼6上設置有連接器5，電阻應變計4的連接導線由外殼6上設置的連接器5引出。支撐座7呈豎直設置，彈性體3的后端固連在支撐座7的側壁上，且彈性體3的中軸8線與支撐座7的側壁相垂直。彈性體3通過螺栓與支撐座7連接。

對于彈性體3外載荷的測量，本發(fā)明通過在彈性體3的外表面上粘貼的8個電阻應變計4來實現(xiàn)。對于每個差動全橋電路，位于12點及6點方向母線上的4個電阻應變計4形成第一差動全橋電路，位于3點及9點方向母線上的另外4個電阻應變計4形成第二差動全橋電路。其中4個電阻應變計4即第一、第三、第五和第七電阻應變計均布在靠近支撐座7的彈性體3的一個圓周上，另外4個電阻應變計4即第二、第四、第六和第八電阻應變計均布在靠近軸承2的彈性體3的另一個圓周上。第一和第二電阻應變計4位于彈性體12點方向的母線上，第三和第四電阻應變計4位于彈性體6點方向的母線上。即在豎直方向上即彈性體3的上下表面各安裝2個電阻應變計4組成第一個差動全橋電路，用于測量豎直方向上的應變。第五和第六電阻應變計4位于彈性體3點方向的母線上，第七和第八電阻應變計4位于彈性體9點方向的母線上。即在水平方向上即彈性體3左右表面各安裝2個電阻應變計4組成第二個差動全橋電路組，用于測量水平方向上的應變。

第一個差動全橋電路組和第二個差動全橋電路組均采用差動全橋接法連接。對于第一差動全橋電路，位于12點方向同一母線上的2個電阻應變計4分別接在A、B之間與C、D之間，6點方向同一母線上的2個電阻應變計4接在B、C之間與D、A之間，A接電源正輸入端，C接電源負輸入端，B為信號輸出正端，D為信號輸出負端；對于第二差動全橋電路，位于3點方向同一母線上的2個電阻應變計4分別接在E、F之間與G、H之間，9點方向同一母線上的2個電阻應變計4接在F、G之間與H、E之間，E接電源正輸入端，G接電源負輸入端，F(xiàn)為信號輸出正端，H為信號輸出負端。第一差動全橋電路與第二差動全橋電路并聯(lián)后，共用電橋電源的正極和負極。每個差動全橋電路有獨立的信號輸出端口。參見圖5。

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

使用時，將待測動輥的軸8裝配到本發(fā)明的軸承2內圈，參見圖6。對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通過軸承2傳遞得到的，可以通過測量彈性體3所受載荷得出，測量儀表上的總載荷大小等于傳送帶施加給軸8的載荷的大小，并且通過圖7可知，總載荷F與垂直方向的夾角θ可以通過公式得到，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)工作中對軸8施加載荷的大小和方向了。在工作過程中，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的力的方向超過一定的范圍就說明傳送帶的工作狀態(tài)已經(jīng)不正常，如圖7所示，在F₁F₂坐標系中，假定總載荷F的方向在第一象限，說明傳送帶工作狀態(tài)正常，如果F在第二、三、四象限的話，說明傳送帶工作狀態(tài)不正常，通過儀器在傳送帶狀態(tài)不正常時發(fā)出警報信號，這樣工廠技術人員能夠立即處置。通過測量儀表，技術人員也可以隨時觀察傳送帶的工作狀態(tài)。

具體來說，上述可測受力角度的動輥張力傳感器的測量方法，包括步驟如下：

步驟1動輥受到外載荷的作用，軸8上的載荷通過軸承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，因此通過軸承2傳遞引起彈性體3產(chǎn)生應變。通過測量豎直方向彎曲應變的差動全橋電路獲得豎直方向的彎曲應變ε₁，通過測量水平方向彎曲應變的差動全橋電路獲得水平方向的彎曲應變ε₂。

步驟2基于胡克定理，根據(jù)豎直方向的彎曲應變ε₁計算豎直方向的外載荷分力F₁，根據(jù)水平方向的彎曲應變ε₂計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)橫截面外徑和內徑的比值，l為每條母線上的2個電阻應變片之間的中點離軸承2中心豎直截面的距離，ε₁為豎直方向的彎曲應變，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。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。