一种高精度动态六向力传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种高精度动态六向力传感器，包括弹性体、连接在弹性体上下表面的连接板，连接板上开设有沟槽，弹性体内表面粘贴有敏感元件，该敏感元件的连接线经沟槽引出。与现有技术相比，本发明专利技术适用于各种工程结构试验，能同时准确测得试验模型中的轴力、剪力、弯矩和扭矩，功能强大、性能稳定、耐用高强，其测量结果尤其是动态测量结果准确可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度动态六向力传感器
本专利技术属于土木工程、工程结构试验测量
，尤其是涉及一种高精度动态六向力传感器。
技术介绍
当前，在工程结构试验中测量结构内力的方法有应变片法和力传感器法。应变片法，即在结构需要测力的部位粘贴应变片，并将应变片与数据采集系统相连，输出贴片处的应变数据，并根据材料力学方法计算得到该处的结构内力。力传感器法，即在测力部位放置一个强度和刚度均很大的匀质物体，一般由连接板、弹性体和敏感元件组成。连接板用于实现力传感器与结构其它部件的连接，而敏感元件(一般为应变片)则贴在弹性体的特定位置，并与数据采集系统相连用以输出应变数据。在测力之前，需要对力传感器进行标定试验，建立起所测内力与敏感元件输出应变的线性关系，得到一系列传递系数。在工程结构试验中，将敏感元件的输出应变数据乘以传递系数后即可得到相应的结构内力。在工程结构试验中，只有准确测得结构内力，才能进行后续的试验结果研究与有限元建模分析，得出具有工程实践应用价值的研究成果。在目前所用的测力方法中，应变片法受其测量原理的限制，在结构进入塑性后已无法准确测得结构内力；而力传感器法由于力传感器装置的设计缺陷，在试验过程中易发生脆性破坏；同时受限于固有的误差性耦合与结构性耦合效应，力传感器的标定结果和测量结果存在较大的误差，无法同时准确测得轴力、剪力、弯矩和扭矩，测量性能和测量功能存在缺陷。而为了保证能够同时准确地测得轴力、剪力、弯矩和扭矩，所使用的测量装置必须具有可靠的测量原理和合理的设计构造，同时便于安装。而且考虑到很多工程结构试验是无法重复进行的，测量装置也要有很高的稳定性和耐用性，不会因为外部条件的改变而产生较大的性能变化或发生破坏。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高精度动态六向力传感器。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高精度动态六向力传感器，包括弹性体、连接在弹性体上下表面的连接板，所述连接板上开设有沟槽，所述弹性体内表面粘贴有敏感元件，该敏感元件的连接线经所述沟槽引出，输出敏感元件测得的应变数据。所述弹性体与连接板为整体预制部件，采用高强匀质金属材料制成，两者之间光滑过渡。所述弹性体为匀质薄壁圆筒结构，其尺寸将影响标定结果和试验测量结果，可根据试验模型进行合理的设计与调整。所述敏感元件设有四个，可以采用直角应变花，分别位于弹性体内圆周中部的0°、90°、180°和270°处，并且经过严格的粘贴、加压固化工艺和防潮密封技术措施，保证其耐用性和稳定性。试验前需进行标定试验，并利用材料力学知识，根据试验数据作出轴力增量-平均轴向应变增量(四个应变花90°方向的应变增量均值)、剪力增量-平均剪切应变增量(两对角应变花处的剪切应变增量均值)、弯矩增量-曲率增量(两对角应变花90°方向的应变增量差值)、扭矩增量-平均扭转应变增量(四个应变花处的剪切应变增量均值)的关系曲线，其斜率即为传递系数。试验时将输出的应变数据乘以相应的传递系数便可求得目标结构内力。所述连接板为匀质开口圆板，尺寸可根据试验模型进行合理的设计与调整。连接板的内径与弹性板的内径相同。连接板上均布有若干锚固孔，用于力传感器装置与其它结构部件进行连接，可根据实际情况进行合理的设计与调整。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)材料匀质且高强，且不易被破坏，性能稳定；2)便于安装和更换，不会增加试验模型的安装难度，也不会带来不必要的外来干扰；3)结构设计合理，连接板与弹性体之间光滑过渡，使得敏感元件处的应变均匀分布，最大程度削弱力传感器固有的误差性耦合；4)中部弹性体材质均匀且刚度很大，同时布置了四个敏感元件即直角应变花，通过各敏感元件的补偿效应和可靠的标定试验方案，最大程度削弱结构性耦合，不仅标定结果理想，而且能在试验中同时准确测得轴力、剪力、弯矩和扭矩。附图说明图1为本专利技术的主视结构示意图；图2为本专利技术的俯视结构示意图。图中，1为连接板、2为锚固孔、3为沟槽、4为弹性体、5为敏感元件。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例高精度动态六向力传感器装置，其结构如图1、图2所示，包括连接板1、锚固孔2、沟槽3、弹性体4和敏感元件5。连接板1与弹性体4为一个刚度很大的整体预制部件，由高强匀质金属材料制成，两者之间光滑过渡。连接板1的尺寸，其上的锚固孔2用于实现力传感器与其它结构部件的连接，可根据具体连接情况选定孔数、孔径和布孔位置后再加工；沟槽3用以引出敏感元件5与外部数据采集系统的连接线，其位置和尺寸也可根据实际情况进行合理设计与调整。弹性体4为本专利技术的关键部分，是一个既强又刚的矮胖型匀质薄壁圆筒结构，高度一般为100～200mm，圆筒厚度一般为10～30mm，高厚比一般为5～10，可根据装置承载情况进行合理设计与调整；四个敏感元件5即直角应变花粘贴于弹性体4内侧的中部，分别位于圆周的0°、90°、180°和270°处，并且经过严格的粘贴、加压固化工艺和防潮密封技术措施，保证其耐用性和稳定性。S[1～4][v,h,d]为各直角应变花的编号，S[1～4]h为各应变花0°方向的应变值，S[1～4]d为45°方向的应变值，而S[1～4]v为90°方向的应变值。本专利技术的原理为：将连接板1与试验模型部件连接，安装在试验模型特定位置处，并通过沟槽2引出线缆连接敏感元件5与数据采集系统。在试验前需进行标定试验，并根据标定试验的数据作出轴力增量-平均轴向应变增量(四个应变花90°方向的应变增量均值)、剪力增量-平均剪切应变增量(两对角应变花处的剪切应变增量均值)、弯矩增量-曲率增量(两对角应变花90°方向的应变增量差值)、扭矩增量-平均扭转应变增量(四个应变花处的剪切应变增量均值)的关系曲线，其斜率即为传递系数。试验时，当结构内力传递至弹性体4时，弹性体4的应力和应变发生变化，导致敏感元件5的内部电阻也发生变化，并以电信号的方式输出，经处理后得到相应的应变数据，再乘以传递系数便得到目标结构内力。以上对本专利技术的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本专利技术并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本专利技术的实质内容。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度动态六向力传感器，其特征在于，该传感器包括弹性体、连接在弹性体上下表面的连接板，所述连接板上开设有沟槽，所述弹性体内表面粘贴有敏感元件，该敏感元件的连接线经所述沟槽引出。

【技术特征摘要】
1.一种高精度动态六向力传感器，其特征在于，该传感器包括弹性体、连接在弹性体上下表面的连接板，所述连接板上开设有沟槽，所述弹性体内表面粘贴有敏感元件，该敏感元件的连接线经所述沟槽引出。2.根据权利要求1所述的一种高精度动态六向力传感器，其特征在于，所述弹性体与连接板为整体预制部件。3.根据权利要求1或2所述的一种高精度动态六向力传感器，其特征在于，所述弹性体为匀质薄壁圆筒结构。4.根据权利要求3所述的一种高精度动态六向力传感器，其特征在于，所述敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳，王臻，童川，崔存玉，曹孙林，童自亮，曾增，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31