本发明是一种小量程测力传感器间接测量轴载荷的测量方法。它在承载轴的两端装有小量程测力传感器，该传感器具有一个感受弯曲正应力的应变梁。本发明利用了在载荷作用下承载轴某点的挠度等于小量程测力传感器在该点挠度的原理，用小量程测力传感器来感受承载轴受力而产生的挠度，再通过挠度和应变式力传感器设计规范确定传感器的量程及应变区的参数，最后制作出适用于上述间接测量的传感器。它完全避开了直接测量轴载荷的传统设计思路，将轴载荷的直接测量转变为间接的挠度测量，使传感器量程和体积大大减小，达到了四两拨千斤的特殊效果。传感器体积外形小巧，在轴内隐藏安装，防止钢水飞溅引起的损伤，且便于安装和更换。
1.一种小量程测力传感器间接测量轴载荷的方法，其步骤如下：
1.1、在承载轴(2)的两端分别镗有一个台阶安装孔(201)，在该两个安装孔(201)中各装有一只所述的小量程测力传感器(1)，该两个小量程测力传感器对称安装在承载轴(2)的两端，小量程测力传感器的承载头(102)与安装孔(201)前端小孔之间为过渡配合，而小量程测力传感器的固定座(103)与安装孔(201)后端大孔之间为过渡或小间隙配合。
1.2、求出小量程测力传感器(1)弯曲应变梁(101)的截面梁厚h1和梁宽h2：
1.21、在承载轴(2)上加载设定的载荷力值F，则承载轴受力弯曲变形产生挠度δ，同时承载轴把该弯曲变形传递给小量程测力传感器(1)，引起小量程测力传感器弯曲应变梁(101)的受力而弯曲变形，也产生挠度δ，则承载轴上B截面处的挠度值与小量程测力传感器承载头在B截面处的挠度值相等；
1.22、根据材料力学，列出承载轴上B截面处挠度δ(a)的方程为：式中E为承载轴材料的弹性模量；I为承载轴的截面惯性矩；L为承载轴的有效长度，F为加在承载轴上的设定载荷值，a等于小量程测力传感器应变梁的有效长度；
1.23、根据材料力学，列出小量程测力传感器的挠度δ1(a)的方程为：3
δ1(a)＝(F1×a)/(3×E1×I1)……②式中E1为小量程测力传感器弯曲应变梁材料的弹性模量；I1为小量程测力传感器弯曲应变梁材料的截面惯性矩；a为小量程测力传感器弯曲应变梁的有效长度，F1为小量程测力传感器所受的载荷力，也是小量程测力传感器的量程参数；
1.24、求出小量程测力传感器弯曲应变梁材料的截面惯性矩I1：根据1.21步得出的承载轴上B截面处的挠度值与承载轴传递给小量程测力传感器在B截面处的挠度值相等的结果，则公式①等于公式②，得出公式③：设置公式③中的传感器的量程参数F1，然后根据公式③计算出I1的具体值；
1.25、根据材料力学，列出小量程测力传感器弯曲应变梁截面惯性矩I1与其截面梁厚h1及梁宽h2的函数式：3
1.26、根据悬臂梁式力传感器的设计原理，列出小量程测力传感器应变梁的弯曲应变量ε和小量程测力传感器的量程参数F1之间的关系式：ε＝F1×L1/(W×E)……⑤
式中L1为力加载点到应变片(104)中部的距离，W为传感器抗弯截面的系数；
1.27、根据悬臂梁式力传感器的设计原理，列出传感器抗弯截面系数W与弯曲应变梁截面梁厚h1和梁宽h2的函数式：2
1.28、求解小量程测力传感器应变梁的截面梁厚h1和梁宽h2：将上述步骤所得出的公式⑥代入公式⑤，得公式⑦：
对⑦式中ε、L1进行人为取值，再求解方程④、⑦，得出h1、h2的具体值；
1.3、进行仿真实验，根据仿真实验结果调整小量程测力传感器弯曲应变梁的几何参数：将设计完成的小量程测力传感器用有限元分析软件进行建模分析，得出小量程测力传感器在本系统受力状态下的挠度值δ1(a)和应变区弯曲应变量ε的大小，并根据δ1(a)值和ε值，重新用公式②计算I1和用公式④、⑦重新计算应变梁宽h2、截面梁厚h1，还可重新调整力加载点到应变片中部的距离L1，最终使传感器应变区的几何参数满足挠度传感的测量要求。
1.4、根据上步所验证的截面梁厚h1、梁宽h2和力加载点到应变片中部的距离L1制作出所述的小量程测力传感器(1)。
小量程测力传感器间接测量轴载荷的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种小量程测力传感器间接测量轴载荷的方法。
背景技术
[0002] 传统的轴载荷的测量一般均采用直接测量载荷的方式，如：将轴做成轴式称重传感器或将轴座作成称重传感器或将普通称重传感器安装于轴座的下方来进行力值/重量测量。但是，在某些特殊的轴载荷测量场合，往往由于受到位置、空间、安装条件、使用工况等外界因素的影响，或受到称重传感器自身结构和参数(如：体积、外形、量程、精度等问题)的限制，不能采用上述直接轴载荷的测量方法。例如：在合金钢的冶炼中，需要配料称重，该称重是在高温钢水飞溅环境下测量钢水重量的大小。如果将整根轴做成轴式传感器，则导致承载轴本身体积较大，加工、安装很不方便，成本费用较高，而且降低轴本身的强度，更换传感器就需更换整根轴。同时传感器暴露在外，要求防止飞溅的钢水对其损伤。如果采用轴座式传感器，也是因量程太大，导致传感器体积过大，没有安装的空间，况且在这种使用环境下传感器更换很不方便。怎样才能对上述轴载荷进行有效测量，既保证测量精度，又满足特殊环境下的特殊要求，是一个待解决的难题。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对已有技术中的问题，提供小量程测力传感器间接测量轴载荷的方法，用量程为几十或几百公斤的小型化小量程测力传感器量来间接测量几十吨甚至上百吨的轴载荷，达到了四两拨千斤的效果，既保证测量精度，又满足特殊环境下的特殊要求。
[0004] 本发明间接测量轴载荷方法的步骤如下：
[0005] 一、在承载轴的两端分别镗有一个台阶安装孔，在该两个安装孔中各装有一只所述的小量程测力传感器，该两个小量程测力传感器对称安装在承载轴的两端，小量程测力传感器的承载头与安装孔前端小孔之间为过渡配合，而小量程测力传感器的固定座与安装孔后端大孔之间为过渡或小间隙配合。
[0006] 二、求出小量程测力传感器弯曲应变梁的截面梁厚h1和梁宽h2：
[0007] 1、在承载轴上加载设定的载荷力值F，则承载轴受力弯曲变形产生挠度δ，同时承载轴把该弯曲变形传递给小量程测力传感器，引起小量程测力传感器弯曲应变梁的受力而弯曲变形，也产生挠度δ，则承载轴上B截面处的挠度值与小量程测力传感器承载头在B截面处的挠度值相等。
[0008] 2、根据材料力学，列出承载轴上B截面处挠度δ(a)的方程为：
[0009]
[0010] 式中E为承载轴材料的弹性模量；I为承载轴的截面惯性矩；L为承载轴的有效长度，F为加在承载轴上的设定载荷值，a等于小量程测力传感器应变梁的有效长度。
[0011] 3、根据材料力学，列出小量程测力传感器的挠度δ1(a)的方程为：
[0012] δ1(a)＝(F1×a3)/(3×E1×I1)……②
[0013] 式中E1为小量程测力传感器弯曲应变梁材料的弹性模量；11为小量程测力传感器弯曲应变梁材料的截面惯性矩；a为小量程测力传感器弯曲应变梁的有效长度，F1为小量程测力传感器所受的载荷力，也是小量程测力传感器的量程参数。
[0014] 4、求出小量程测力传感器弯曲应变梁材料的截面惯性矩I1：
[0015] 根据1步得出的承载轴上B截面处的挠度值与承载轴传递给小量程测力传感器在B截面处的挠度值相等的结果，则公式①等于公式②，得出公式③：
[0016]
[0017] 设置公式③中的传感器的量程参数F1，然后根据公式③计算出I1的具体值。
[0018] 5、根据材料力学，列出小量程测力传感器弯曲应变梁截面惯性矩I1与其截面梁厚h1及梁宽h2的函数式：3
[0019] I1＝h2×h1/12……④
[0020] 6、根据悬臂梁式力传感器的设计原理，列出小量程测力传感器应变梁的弯曲应变量ε和小量程测力传感器的量程参数F1之间的关系式：
[0021] ε＝F1×L1/(W×E)……⑤
[0022] 式中L1为力加载点到应变片中部的距离，W为传感器抗弯截面的系数。
[0023] 7、根据悬臂梁式力传感器的设计原理，列出传感器抗弯截面系数W与弯曲应变梁截面梁厚h1和梁宽h2的函数式：2
[0024] W＝h2×h1/6……⑥
[0025] 8、求解小量程测力传感器应变梁的截面梁厚h1和梁宽h2：
[0026] 将上述步骤所得出的公式⑥代入公式⑤，得公式⑦：
[0027]
[0028] 对⑦式中ε、L1进行人为取值，再求解方程④、⑦，得出h1、h2的具体值。
[0029] 三、进行仿真实验，根据仿真实验结果调整小量程测力传感器弯曲应变梁的几何参数：
[0030] 将设计完成的小量程测力传感器用有限元分析软件进行建模分析，得出小量程测力传感器在本系统受力状态下的挠度值δ1(a)和应变区弯曲应变量ε的大小，并根据δ1(a)值和ε值，重新用公式②计算I1和用公式④、⑦重新计算应变梁宽h2、截面梁厚h1，还可重新调整力加载点到应变片中部的距离L1，最终使传感器应变区的几何参数满足挠度传感的测量要求。
[0031] 四、根据上步所验证的截面梁厚h1、梁宽h2和力加载点到应变片中部的距离L1制作出所述的小量程测力传感器。
[0032] 通过上述技术方案可以看出，本发明利用了在载荷作用下承载轴某点的挠度等于小量程测力传感器在该点挠度的原理，用小量程测力传感器来感受承载轴受力而产生的挠度，再通过挠度和应变式力传感器设计规范确定传感器的量程及应变区的参数，最后制作出适用于上述间接测量的传感器。本发明完全避开了直接测量轴载荷的传统设计思路，将轴载荷的直接测量转变为间接测量，使传感器量程和体积大大减小，达到了四两拨千斤的特殊效果。同时，传感器在轴内隐藏安装，可以保护传感器，防止钢水飞溅引起的损伤。又由于传感器体积外形小巧，便于安装和更换。更换期时间短，基本不影响正常的生产进度。
附图说明
[0033] 图1、本发明小量程测力传感器的结构示意图。
[0034] 图2、图1的A-A剖面结构图。
[0035] 图3、小量程测力传感器的安装结构示意图。
[0036] 图4、承载轴受力示意图。
具体实施方式
[0037] 参见图1、2、3，所述的小量程测力传感器1具有一个感受弯曲正应力的应变梁101，在该应变梁的前端延伸出一个扩径的小半圆柱形承载头102，其尾端延伸出一个扩径的圆柱形固定座103，在所述的圆柱形固定座103的尾端又延伸出一个扩径的挡头105，所述的小量程测力传感器应变梁101可以采用常规的矩形悬臂梁结构，即应变梁101的载面为矩形，并在应变梁101上贴附有应变片104。为了方便安装与更换，所述小半圆柱形承载头102的直径最好小于固定座103的直径。
[0038] 用上述小量程测力传感器进行间接测量轴载荷测量方法的步骤如下：
[0039] 一、参见图1、3，在承载轴2的两端分别镗有两个台阶安装孔201，在该两个安装孔201中各装有一只所述的小量程测力传感器1，该两个小量程测力传感器1对称安装在承载轴的两端。为了使小量程传感器能够较好地感受到承载轴受力而产生的挠度，提高测量精度，同时又便于安装与更换，小量程测力传感器的承载头102与安装孔201前端小孔之间采用过渡配合，而小量程测力传感器的固定座103与安装孔201后端大孔之间采用过渡或小间隙配合。上述两只传感器组成并联网络，可以有效消除载荷力F作用点不同而带来的位置误差，确保测量精度。
[0040] 二、求出上步所述的小量程测力传感器应变梁的截面梁厚h1和梁宽h2：
[0041] 1、再参见图3，在承载轴2上加载设定的载荷力值F，承载轴受力弯曲变形产生挠度δ，同时承载轴2把该弯曲变形传递给小量程测力传感器1，引起小量程测力传感器的受力而弯曲变形，也产生挠度δ，则轴上B截面处的挠度值与承载轴传递给小量程测力传感器的挠度值相等。
[0042] 再参见图1，根据应变传感器的原理，传感器应变区a由于受弯矩作用产生正应力，应力产生应变，从而改变惠斯通电桥的平衡，使其输出相应的测量电压Uo。
[0043] 2、根据材料力学，列出承载轴上B截面处的挠度δ(a)方程：
[0044]
[0045] 式中E为承载轴材料的弹性模量，I＝πd3/32为承载轴的截面惯性矩其中d为承载轴直径，L为承载轴的有效轴长度(即承载轴两支点之间的距离)，F为加在承载轴上的设定载荷值，a等于小量程测力传感器应变梁的有效长度，以上各参数均为已知量，因此，轴上B截面处的挠度是一个可根据式①计算得出的常数量。
[0046] 3、根据材料力学，列出小量程测力传感器的挠度δ1(a)的方程为：
[0047] δ1(a)＝F1×a3/(3×E1×I1)……②
[0048] 再参见图1，公式②中E 1为小量程测力传感器弯曲应变梁材料弹性模量；I1为小量程测力传感器1弯曲应变梁的材料截面惯性矩；a为小量程测力传感器1弯曲应变梁的长度，F1为小量程测力传感器所受的载荷值，也是小量程测力传感器的量程参数，其中E1、a为已知量，F1可以根据经验先进行设定，当F1被设定后，只有I1一个参数为未知。
[0049] 4、求出小量程测力传感器弯曲应变梁材料的截面惯性矩I1：
[0050] 根据1步得出的承载轴上B截面处的挠度值与承载轴传递给小量程测力传感器的挠度值相等的结果，将公式①等于公式②，得出公式③：
[0051]
[0052] 设置公式③中传感器的量程参数F1，一般情况下，F1根据实际情况可以取几十到几百公斤，然后根据式③计算出I1的具体值。
[0053] 5、根据材料力学，列出小量程测力传感器弯曲应变梁截面惯性矩I1与其截面梁厚h1及梁宽h2的函数式：
[0054] I1＝h2×h13/12……④
[0055] 以上公式①、②、④来自于科学出版社出版的《材料力学》教材(苟文选编)。
[0056] 6、根据悬臂梁式力传感器的设计原理，列出小量程测力传感器应变梁的弯曲应变量ε和小量程测力传感器的量程参数F1之间的关系式：
[0057] 参见图1，本小量程测力传感器属于悬臂梁式力传感器，其承荷力加载在悬臂梁式力传感器1的自由端上，对于该种传感器来说，悬臂梁的弯曲应变量ε和传感器量程F1之间的关系为：
[0058] ε＝F1×L1/(W×E1)……⑤
[0059] 公式⑤中L1为力加载点到应变片104中部的距离，W为传感器抗弯截面的系数。
[0060] 7、根据悬臂梁式力传感器的设计原理，列出传感器抗弯截面系数W与弯曲应变梁101截面梁厚h1和梁宽h2的函数式：
[0061] W＝h2×h12/6……⑥
[0062] 8、求解小量程测力传感器应变梁101的截面梁厚h1和梁宽h2：
[0063] 将公式⑥代入公式⑤，得公式⑦：
[0064]
[0065] 对⑦式中ε、L1进行人为取值，再求解方程④、⑦，得出h1、h2的具体值，其中ε、L1可先用经验值进行取值，例如：本例的小量程测力传感器是电阻应变式传感器，其弯曲应变量ε可以取为：1000-6。
[0066] 上述公式⑤、⑥来自于国防工业出版社出版的《电阻应变式传感器》(南京航空学院陶宝祺王妮编著)，出版日期1993年8月。
[0067] 三、进行仿真实验，根据仿真实验结果调整小量程测力传感器弯曲应变梁的几何参数：
[0068] 将设计完成的小量程测力传感器用有限元分析软件(ANSYS)进行建模分析，得出小量程测力传感器在本系统受力状态下的挠度值δ1(a)和应变区弯曲应变量ε的大小，并根据δ1(a)值和ε值，重新用公式②计算I1和用公式④、⑦重新计算应变梁宽h2、截面梁厚h1，还可重新调整力加载点到应变片中部的距离L1及传感器量程F1，最终使传感器应变区的几何参数满足挠度传感的测量要求。
[0069] 四、根据三步所验证的截面梁厚h1、梁宽h2和力加载点到应变片中部的距离L1制作出所述的小量程测力传感器1。
[0070] 在实际应用中，一般要求：当承载轴2受到最大载荷力Fmax时，产生的挠度值δmax与小量程测力传感器1在满量程下产生的挠度值δ1max近似相等，且满足δmax≤δ1max。
