[發(fā)明專利]應變式力傳感器的內錐形彈性體及其優(yōu)化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210003249.9
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN102539031A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設計）人: 王世軍;于雷;趙金娟
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 李娜

技術領域

本發(fā)明屬于機械測試測量技術領域，涉及一種應變式力傳感器的內錐形彈性體，還涉及一種該內錐形彈性體的優(yōu)化方法。?

背景技術

螺栓作為常用的連接件在工程中應用十分廣泛，螺栓軸向預緊力對它的性能、壽命乃至被連接件的性能、壽命都有很大的影響。在螺栓結合部以及依靠螺栓加載的大面積接觸的結合部的靜態(tài)和動態(tài)特性研究中，螺栓軸向預緊力的準確測量，是整個研究的基礎之一。通常采用的螺栓軸向預緊力的測量技術有扭矩扳手法，電阻應變片法，超聲應力測量法等幾種^[1]。?

扭矩扳手法是目前工程中應用最普遍的一種測量和控制螺栓預緊力方法。其原理是根據(jù)扭矩來間接控制螺栓預緊力。這種方法操作簡單，但是由于螺母與螺栓的螺紋面和螺母與被連接件的接觸面之間的摩擦因數(shù)的離散性，導致轉矩系數(shù)離散，即使在確保加工精度，保證良好潤滑的條件下，對施加相同扭矩的螺栓，預緊力的測量誤差最高也會達到30％左右^[2]。?

電阻應變片電測法也是一種常用的螺栓預緊力的測量方法，它通過粘貼在螺栓表面的應變片測量螺栓表面的應變，進而獲得螺栓的軸向預緊力。該方法測量精度較力矩扳手高，但需要將所用的螺栓改制^[3]。對于Φ10以下的螺栓，改制時應變片的引線引出比較困難，并且應變片粘貼空間很小，應力集中影響大，導致不同螺栓靈敏度差別比較大。?

根據(jù)聲彈性原理，超聲波的速度會因材料中的應力而產生微小的變化。通過研究螺栓軸向應力與超聲波傳播時間變化率的關系，可以測量螺栓中的應力進而獲得螺栓軸向預緊力。該方法的缺點是必須通過各種形式的耦合層實現(xiàn)探頭和工件的耦合，耦合層的不均勻性帶來的測量誤差可以達到與測量值相同的數(shù)量級。超聲波測量結果也容易受到其它一些因素的影響，導致測量精度變差，例如被測螺栓的幾何形狀，螺栓中不均勻的應力場的影響等。此外，該方法要求具有精密的聲時測量系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)，這些都限制了該方法的實際應用?^[1]。?

應變式測力傳感器是一種常用的電測法測力傳感器，其彈性體的常見形式，有柱式，懸臂式，S式和輪輻式等幾種形式^[4，5]。輪輻式測力測力傳感器是一種剪切型測力傳感器，應變片粘貼在輪輻的側面用以測量剪切力。這種類型的測力傳感器軸向尺寸較小，如果孔徑合適，可以將螺栓穿過中心孔，螺栓預緊后可以通過應變片將預緊力測出。這種形式的彈性體缺點是高應力區(qū)范圍很小，應力梯度大，應變片粘接位置的誤差會導致傳感器靈敏度差別比較大。?

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種應變式力傳感器的內錐形彈性體，解決了現(xiàn)有的輪輻式彈性體應變片粘接位置的誤差會導致傳感器靈敏度差別比較大，且輪輻式彈性體結構復雜，較難加工的問題。?

本發(fā)明的另一個目的是提供上述內錐形彈性體的優(yōu)化方法。?

本發(fā)明所采用的技術方案是，一種應變式力傳感器的內錐形彈性體，包括圓柱形基體，基體上部設置有錐形凹部，錐形凹部的底部設置有中心孔；錐形凹部的錐面上設置有應變片；錐形凹部的中軸線與中心孔的中軸線位于同一條直線上。?

本發(fā)明所采用的另一個技術方案是，上述內錐形彈性體的優(yōu)化方法，其具體操作步驟如下：?

第一步，?

根據(jù)應變式力傳感器內錐形彈性體的結構，估計出彈性體的初始尺寸；?

第二步，?

采用有限元方法，根據(jù)彈性體的初始尺寸建立有限元模型，計算彈性體在螺栓軸向力作用下的應力；?

第三步，?

根據(jù)第二步得到的錐形凹部錐面上的應力分布情況，調整模型的錐角后再次計算，直至內錐面上的應力分布均勻；具體調整過程為：?

根據(jù)下面的迭代公式確定錐形凹部錐角的調整量：?