一种嵌入式拉压力监测装置

技术领域

本发明属于测力传感器领域，具体涉及一种嵌入式拉压力监测装置。

背景技术

随着工业自动化和智能化的发展，使应力测量的应用越来越广泛，对一些关键零部件的应力测量，可以得到其控制参数，进而实现自动化控制。在工程装备上，例如起重臂架的自动化控制，针对不同质量的重物和不同的起重速度，需要对起重力大小进行控制，因此对起重臂架受力测量是必要的；在轨道交通上，例如转辙机驱动道岔转换过程中，转换力若超出正常范围则会危及行车安全，测量转辙机转换力有利于提升列车运行的稳定性和安全性；在机床加工中，切削力是机床运行中重要参数之一，其大小影响着工件质量、刀具寿命、机床动力消耗等，切削力的测量与控制有利于提升机床加工性能。

目前对应力测量方法主要采用应变片粘接法，将应变片粘接到构件表面，此方法工艺过程复杂，不适合复杂工况安装，难以实现长期测量。此外，对于大部分力传感器例如S型拉压力传感器、销轴式力传感器等，其测量对构件改动大、尺寸大、适应性差、难以实现实时监测。

发明内容

为了解决现有测量方法繁琐且不能实时监测的问题，本发明提出一种嵌入式拉压力监测装置。利用被测结构材料受力变形的特点，在被测结构表面的锥形孔安装嵌入式应力传感器，被测结构的应力变化引起传感器电信号输出，并将传感器通过电缆接入采集器的解算电路中，最终实现了被测结构拉压力的实时监测。本发明的嵌入式拉压力监测装置，其灵敏度高、动态响应好、适应性强，可以实现拉压力实时监测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种嵌入式拉压力监测装置，包括嵌入式应力传感器7和采集器6。

所述的嵌入式应力传感器7包括锥形弹性力敏模块、弹性体预紧模块和弹性体封盖模块。

所述的弹性体预紧模块包括螺纹底座4、旋调导杆5和预紧卡环g；所述的螺纹底座4的外部设有螺纹；所述的螺纹底座4和预紧卡环g的中心均设有通孔，且通孔尺寸一致，预紧卡环g固定在螺纹底座4的顶端，螺纹底座4与预紧卡环g同轴；所述的旋调导杆5，其下部插入螺纹底座4与预紧卡环g的通孔中，且旋调导杆5的外表面与螺纹底座4和预紧卡环g的内壁相接触固定，其上部位于螺纹底座4外。

所述的锥形弹性力敏模块包括应变放大圆环2、锥形力敏结构3和力敏电阻c；所述的锥形力敏结构3的材质为弹性材料，其上部为开口的圆形筒体结构，其下部为收缩的锥形筒体结构，锥形筒体结构的内部设有一圈圆环卡槽d，用于安装应变放大圆环2，且上部的圆形筒体结构的直径大于螺纹底座4的直径，螺纹底座4的直径在下部的锥形筒体结构的直径最大值和最小值之间；锥形力敏结构3的筒体上设有与轴线方向平行的一段缺口，从圆形筒体结构的中部一直通到锥形筒体结构的底部，作为预紧间隙f，使应变放大圆环2与锥形力敏结构3的内壁紧密配合；所述的应变放大圆环2为圆环片结构，为了放大应变信号，其材料弹性模量应小于100GPa，且中心通孔的尺寸大于旋调导杆5的直径；所述的力敏电阻c安装在应变放大圆环2上表面，力敏电阻c靠近圆环内径，其方向垂直于应变放大圆环2半径；锥形力敏结构3下部的底部为开口结构，预紧卡环g的上部卡在锥形力敏结构3的底部，且锥形力敏结构3与预紧卡环g之间可以相互旋转；旋调导杆5的顶部位于锥形力敏结构3上方；

所述的弹性体封盖模块包括密封圆筒1；密封圆筒1为下端开口的筒体结构，密封圆筒1套装在锥型力敏结构3外，密封保护锥型力敏结构3内的传感元件；密封圆筒1上盖的中心设有密封孔b，用于旋调导杆5的穿过和密封，旋调导杆5可绕密封孔b旋转，密封孔b旁设有引线孔a，用于将锥型力敏结构3内的电缆引出并且固定线缆。

测量被测结构的拉压力时，将锥形弹性力敏模块和弹性体预紧模块置于被测结构上开设的锥形孔内，通过转动旋调导杆5，使锥形力敏结构3下部的锥形筒体结构的外圆锥面e与锥形孔的内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m。

所述的采集器6包括采集电路与接口；所述的接口包括与传感器接口和输出接口，通过接口将整个装置电路连通；所述的采集电路包括供电模块h、测量模块i、放大模块j、数据处理模块k和信号输出模块l；所述的测量模块i、放大模块j、数据处理模块k和信号输出模块l依次串联，供电模块h为四个模块供电；力敏电阻c通过电缆和传感器接口与测量模块i连接，测量模块i完成对嵌入式应力传感器7信号的采集并输出电压信号，电压信号经过放大模块j放大后接入数据处理模块k，对初始信号进行清零，并标定输出信号与拉压力的对应关系，最后信号输出模块l通过输出接口与外部的电压表或上位机连接，将电压信号输出，得到被测结构的拉压力。

本发明有益效果：相较于目前拉压力测量装置，本发明的监测装置降低了维护成本，提升了测量适应性，实现了对被测结构拉压力的实时监测，能够反映被测构件服役时的工作状态。

附图说明

图1(a)和图1(b)分别为本发明的嵌入式应力传感器的整体装配示意图和剖视图。

图2为本发明的嵌入式拉压力监测装置整体示意图。

图中：1密封圆筒；2应变放大圆环；3锥型力敏结构；4螺纹底座；5旋调导杆；6采集器；7嵌入式应力传感器；a引线孔；b密封孔；c力敏电阻；d圆环卡槽；e外圆锥面；f预紧间隙；g预紧卡环；h供电模块；i测量模块；j放大模块；k数据处理模块；l信号输出模块。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明针对传统测量方法操作繁琐、维护成本高、适应性低等问题，发明了一种嵌入式拉压力监测装置，实现了对拉压力的实时监测。

如图1(a)和图1(b)以及图2所示，本发明的装置主要由嵌入式应力传感器7和采集器6组成。使用本发明的装置进行拉压力监测时，首先在被测结构表面加工出锥形孔(锥形孔的下段为直孔，与螺纹底座4配合；锥形孔的顶端加工为锥形，与锥型力敏结构配合)，然后将嵌入式应力传感器7安装进锥形孔内，使锥形弹性力敏模块和弹性体预紧模块位于锥形孔内，通过转动旋调导杆5，使锥形力敏结构3下部的锥形筒体结构的外圆锥面e与锥形孔锥形部分的内壁紧密贴合，其预紧扭矩不小于3N·m，从而使嵌入式应力传感器7的弹性体变形与被测结构锥形孔的锥形部分变形一致，最终弹性体应力变化引发电信号输出，通过采集器6采集数据和输出，进而得到被测结构受力状态量值，以实现对被测结构的应力测量。

本实施例中，被测结构材料为钢，锥形孔的顶端(锥形部分)深度为2mm，锥度取45°；所攻螺纹取标准螺纹M10(锥形孔的下段部分)，其深度30mm。嵌入式应力传感器7包括密封圆筒1、应变放大圆环2、锥形力敏结构3、螺纹底座4、旋调导杆5、力敏电阻c、预紧卡环g；所述应变放大圆环2外径9mm，内径4mm；所述锥形力敏结构3材料取钢，中心通孔直径为4mm，外圆锥面e最大直径为14mm，最小直径6mm，与水平夹角成45°；圆环卡槽d尺寸与应变放大圆环2外径保持一致；所述螺纹底座4材料为钢材质，预紧卡环g外径5.5mm，内径4.5mm，螺纹长度取10mm，螺纹底座4总高13mm；在螺纹底座4中心部分加工出内切圆直径2.5mm的六方孔；所述旋调导杆5材质为钢材质，其上圆柱直径为4mm，从螺纹底座4顶部预紧卡环g和锥形力敏结构3通孔穿过，底部六棱柱尺寸与螺纹底座4六方孔保持一致使旋调导杆5可以带动螺纹底座4旋转，顶部加工出扁平形状以供安装工具夹持；力敏电阻c安装在应变放大圆环2上表面；所述密封圆筒1外径15mm，总高21mm，其内径与锥形力敏结构外径保持一致，安装于锥形力敏结构上方与侧壁，上表面引线孔直径3mm，用于引出并固定线缆；最终完成传感器的组装。

如图2，采集器6包含供电模块h、测量模块i、放大模块j、数据处理模块k和信号输出模块l以及传感器接口和输出接口。嵌入式应力传感器7内部的力敏电阻c通过电缆接入测量模块i中，测量模块i将力敏电阻c采集的压电信号接入放大模块j进行放大，进而接入数据处理模块k进行清零标定等处理，最终通过信号输出模块l将电压信号输出，得到待测结构的拉压力。

测量步骤如下：

(1)嵌入式应力传感器7的定位与安装

螺纹底座4插入被测结构的锥形孔中，旋转旋调导杆5，通过六角结构带动螺纹底座4旋转，将螺纹底座4安装进被测结构的锥形孔处所攻螺纹；由于传感器存在测量敏感方向，安装过程中要对嵌入式应力传感器7进行定位，保证将力敏电阻测量方向与旋调导杆5平行，定位完毕后锥形力敏结构3不再旋转，进一步通过旋调导杆5，将锥形力敏结构3下部的锥形筒结构的外圆锥面e与锥形孔的锥形部分紧密贴合，最终完成嵌入式应力传感器7的安装。

(2)被测物体的拉压力监测

嵌入式应力传感器7安装好之后，用电缆将锥形力敏结构3的力敏电阻c通过插头接入采集器的测量模块i中。当被测结构受到拉压力时，锥形孔产生变形，进而锥形力敏结构3与应变放大圆环2产生变形，通过应变放大圆环2放大应变信号增大传感器灵敏度和线性度；力敏电阻c将力信号转化为电信号。通过采集器6实现标定输出信号与拉压力的对应关系，最终输出和监测电压大小表示拉压力大小。

本发明无需粘贴应变片，将传感器安装在被测结构表面的锥形孔内，体积小，安装方便，后期易维护成本低。且不需要改变物体结构即可实现测量，不影响系统正常运行状态。