一种增敏型垫圈式压力传感器及其测量灵敏度提升方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种增敏型垫圈式压力传感器及其测量灵敏度提升方法。

背景技术

螺栓连接是大型工程结构构件间连接最为常见的方式之一，而螺栓紧固力是关系到结构安全的重要因素。垫圈式压力传感器是测量螺栓紧固力最为常用的传感技术之一。垫圈式压力传感器主要是通过测量传感器在外部压力荷载下变形，来实现压力荷载的测量。按照测量原理区分，垫圈式压力传感器主要可分为测量平行于压力作用方向传感器变形和测量垂直于压力作用方向传感器变形的两类。对于第一类测量压力作用方向变形的传感器，由于应变测量单元需要沿压力作用方向设置，因而此类垫圈式压力传感器在压力作用方向上厚度较大，此外，为了准确测量偏心压力，还需要在传感器四周设置多个应变测试单元，因此第一类垫圈式压力传感器通常体积较大、结构较为复杂。而对于第二类测量垂直于压力方向变形的垫圈式压力传感器，由于仅需要在垂直于压力方向布设应变测量单元，因此该类传感器可以大幅降低垫圈式传感器厚度；然而此类传感器测量结果在很大程度上受到传感器与结构、螺母接触表面摩擦系数影响，因而实际工程中测量精度不高。

综上所述，现有的垫圈式压力传感器因测量原理的限制，还无法达到传感器体积小、测量精度高、量程大、可靠性高的工程应用理想目标。

发明内容

本发明涉及一种增敏型垫圈式压力传感器及其测量灵敏度提升方法，以解决现有的垫圈式压力传感器存在的体积大、量程有限、测量精度不高且易受传感器与螺栓垫圈之间摩擦力影响等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种增敏型垫圈式压力传感器，所述传感器包括上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3；

上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3设有同心的容螺栓穿过的通孔7；上部传力单元1上表面水平，与结构或螺母表面接触；上部传力单元1下表面是一个内突的倾斜的圆环面；下部传力单元2下表面水平，与结构或螺母表面接触；下部传力单元2上表面是一个内突的倾斜的圆环面；测量单元3上下表面均为内凹的倾斜的圆环面；测量单元3上下表面分别与上部传力单元1下表面和下部传力单元2上表面紧密接触。

进一步地，所述传感器还包括外部保护壳4，所述外部保护壳4与上部传力单元1和下部传力单元2外侧通过螺钉进行连接。

进一步地，所述外部保护壳4、上部传力单元1、测量单元3和下部传力单元2围成一个环形空腔8。

进一步地，所述环形空腔8内设置一个光纤光栅温度测量单元6。

进一步地，所述测量单元3外侧中间位置设有一个环形浅槽9，在环形浅槽9内均匀布设两个或者两个以上光纤光栅应变测量单元5。

进一步地，光纤光栅应变测量单元5与环形浅槽9通过胶水粘接。

进一步地，所述测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2的接触面之间加入润滑剂，用于减小测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2之间的摩擦系数。

进一步地，所述光纤光栅应变测量单元5和光纤光栅温度测量单元6用光纤串联连接后，光纤从外部保护壳4中部小孔10穿出，连接光纤光栅解调仪进行测量。

进一步地，当螺栓紧固力通过结构/螺母将压力传递给增敏型垫圈式压力传感器时，上部传力单元1和下部传力单元2通过与测量单元3之间倾斜接触平面，将压力传递给测量单元3，导致测量单元3外侧出现环向膨胀；该膨胀应变通过光纤光栅应变测量单元5进行测量，并利用光纤光栅温度测量单元6数据剔除温度影响后，再根据增敏型垫圈式压力传感器灵敏度系数，换算得到传感器所受到的压力数值即螺栓紧固力。

本发明提出基于所述的一种增敏型垫圈式压力传感器的测量灵敏度提升方法，通过改变增敏型垫圈式压力传感器的设计参数，能够有效提升传感器测量灵敏度系数；影响测量灵敏度系数的传感器设计参数包括：测量单元3的外径D

步骤一、建立增敏型垫圈式压力传感器的有限元模型；

步骤二、利用有限元模型，计算增敏型垫圈式压力传感器的测量灵敏度系数，即在外部压力变化条件下，所有光纤光栅应变测量单元5测量应变增量的平均值与外部压力增量的比值；

步骤三、利用有限元模型，计算增敏型垫圈式压力传感器在最大设计压力条件下，上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3内部的最大Mises应力；

步骤四、当步骤三中计算得到的Mises应力小于传感器制造材料的屈服应力时，通过增加测量单元3上下倾斜面倾角α、减小测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2接触面的摩擦系数μ，或者减小中间测量单元3外径D

步骤五、在调整完测量单元3设计参数后，重新建立修改设计后的增敏型垫圈式压力传感器有限元模型，重复步骤二验算提升后的传感器测量灵敏度系数是否达到设计要求，再重复步骤三验算传感器在最大设计压力条件下上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3内部的最大Mises应力是否小于传感器制造材料的屈服应力；当两个验算要求不同时满足时，重复步骤四修改测量单元3设计参数，直至上述两个验算条件同时满足要求。

本发明的有益效果：

本申请中的增敏型垫圈式压力传感器，提出了一种全新的压力测量方法，通过传感器内部的测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2之间内力传递，将垫圈式压力传感器所受到的外部压力转换为测量单元3横向膨胀，大幅提高了传感器的测量灵敏度；此外，传感器的测量灵敏度还可以通过调整传感器设计参数，实现进一步的提升。此外，由于传感器独特的压力测量机制，可以大幅减小传感器的高度和体积，便于传感器在实际工程中的应用。

本申请中的增敏型垫圈式压力传感器中负责测量的测量单元3并不与外部结构或螺母直接接触，因而传感器压力测量结果与传感器和螺母、结构之间接触表面摩擦系数无关，大幅提升了传感器在实际应用中的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的增敏型垫圈式压力传感器平面图；

图2为本发明的增敏型垫圈式压力传感器剖面图A-A；

图3为本发明的增敏型垫圈式压力传感器剖面图B-B；

图4为本发明的增敏型垫圈式压力传感器测量敏感度系数提升的传感器设计参数示意图。

图中标记说明：1-上部传力单元，2-下部传力单元，3-测量单元，4-外部保护壳，5-光纤光栅应变测量单元，6-光纤光栅温度测量单元，7-同心的容螺栓穿过的通孔，8-环形空腔，9-环形浅槽，10-小孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1-图4，本发明提出一种增敏型垫圈式压力传感器，所述传感器包括上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3；

上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3设有同心的容螺栓穿过的通孔7；上部传力单元1上表面水平，与结构或螺母表面接触；上部传力单元1下表面是一个内突的倾斜的圆环面；下部传力单元2下表面水平，与结构或螺母表面接触；下部传力单元2上表面是一个内突的倾斜的圆环面；测量单元3上下表面均为内凹的倾斜的圆环面；中间测量单元3上下表面分别与上部传力单元1下表面和下部传力单元2上表面紧密接触。

如图1所示，所述传感器还包括外部保护壳4，所述外部保护壳4与上部传力单元1和下部传力单元2外侧通过螺钉进行连接。

所述外部保护壳4、上部传力单元1、测量单元3和下部传力单元2围成一个环形空腔8。

所述环形空腔8内设置一个光纤光栅温度测量单元6。

如图2和图3所示，所述测量单元3外侧中间位置设有一个环形浅槽9，在环形浅槽9内均匀布设两个或者两个以上光纤光栅应变测量单元5。光纤光栅应变测量单元5与环形浅槽9通过环氧树脂等胶水粘接。

所述测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2的接触面之间加入润滑剂，用于减小测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2之间的摩擦系数。

如图3所示，所述光纤光栅应变测量单元5和光纤光栅温度测量单元6用光纤串联连接后，光纤从外部保护壳4中部小孔10穿出，连接光纤光栅解调仪进行测量。

当螺栓紧固力通过结构/螺母将压力传递给增敏型垫圈式压力传感器时，上部传力单元1和下部传力单元2通过与测量单元3之间倾斜接触平面，将压力传递给测量单元3，导致测量单元3外侧出现环向膨胀；该膨胀应变通过光纤光栅应变测量单元5进行测量，并利用光纤光栅温度测量单元6数据剔除温度影响后，再根据增敏型垫圈式压力传感器灵敏度系数，换算得到传感器所受到的压力数值即螺栓紧固力。

本发明提出基于所述的一种增敏型垫圈式压力传感器的测量灵敏度提升方法，提升传感器测量灵敏度是提高传感器测量精度的关键因素之一。通过改变增敏型垫圈式压力传感器的设计参数，能够有效提升传感器测量灵敏度系数；影响测量灵敏度系数的传感器设计参数包括：测量单元3的外径D

步骤一、建立增敏型垫圈式压力传感器的有限元模型；

步骤二、利用有限元模型，计算增敏型垫圈式压力传感器的测量灵敏度系数，即在外部压力变化条件下，所有光纤光栅应变测量单元5测量应变增量的平均值与外部压力增量的比值；

步骤三、利用有限元模型，计算增敏型垫圈式压力传感器在最大设计压力条件下，上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3内部的最大Mises应力；

步骤四、当步骤三中计算得到的Mises应力小于传感器制造材料的屈服应力时，通过增加测量单元3上下倾斜面倾角α、(通过采用更高润滑性能的润滑剂)减小测量单元3与上部传力单元1和下部传力单元2接触面的摩擦系数μ，或者减小中间测量单元3外径D

步骤五、在调整完测量单元3设计参数后，重新建立修改设计后的增敏型垫圈式压力传感器有限元模型，重复步骤二验算提升后的传感器测量灵敏度系数是否达到设计要求，再重复步骤三验算传感器在最大设计压力条件下上部传力单元1、下部传力单元2和测量单元3内部的最大Mises应力是否小于传感器制造材料的屈服应力；当两个验算要求不同时满足时，重复步骤四修改测量单元3设计参数，直至上述两个验算条件同时满足要求。

本发明涉及一种增敏型垫圈式压力传感器及其测量灵敏度提升方法。螺栓连接是各类结构构件连接最为常见的方式之一，而螺栓紧固力大小对于保障构件连接的可靠性至关重要，垫圈式压力传感器是螺栓紧固力测量较为常用的传感技术之一。但是由于传统测量原理的限制，现有垫圈式压力传感器存在着体积大、量程有限、测量精度不高且易受传感器与螺栓垫圈之间摩擦力影响等诸多问题。为此，本发明提出了一种增敏型垫圈式压力传感器。该传感器采用一种全新内部结构设计，放大了传感器测量单元在外部压力荷载作用下的变形，提升了传感器压力测量灵敏度。通过调整传感器的设计参数，传感器测量灵敏度还可进一步提升。传感器测量单元变形采用光纤光栅测量，具有精度高和可靠性好的优点。此外，传感器压力测量结果还与传感器和螺母、结构之间接触表面摩擦系数无关，提升了传感器在实际应用中的测量精度。本发明中的增敏型垫圈式压力传感器具有体积小、量程大、测量精度高，可靠性好等优点。

以上对本发明所提出的一种增敏型垫圈式压力传感器及其测量灵敏度提升方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。