本發(fā)明涉及一種懸臂支撐件受力的測(cè)量方法及其傳感器，用于測(cè)量懸臂支撐件所受力和力矩。

背景技術(shù)：

懸臂支撐的端部承受橫向力時(shí)，其懸臂長(zhǎng)度方向均會(huì)不同程度的受到彎矩的作用，其間的任何一個(gè)環(huán)節(jié)均可能因結(jié)構(gòu)薄弱而受到破壞，在橫向力可控的情況下，檢測(cè)彎矩進(jìn)而限制橫向力可以避免結(jié)構(gòu)失效，在曲面支撐的應(yīng)用中，支柱的頂端支撐力作用在被支撐曲面上，其受力方向在曲面法向上，對(duì)于懸臂支撐結(jié)構(gòu)的支柱在不同軸向位置承載的力矩不同，其連接包括與基礎(chǔ)的連接、調(diào)節(jié)支撐高度的傳動(dòng)及導(dǎo)向等，各環(huán)節(jié)均會(huì)因不同的載荷，不同的調(diào)節(jié)高度導(dǎo)致其所受的彎矩不同，懸伸量較小時(shí)，橫向力即便較大其力矩也較小，彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)較弱，而軸向力由支撐高度的傳動(dòng)環(huán)節(jié)承擔(dān)，軸向力為主要限制對(duì)象，懸伸量較大時(shí)，橫向力越大力矩越大，彎矩對(duì)結(jié)構(gòu)的影響突顯出來(lái)，軸向力雖仍存在，但比起彎矩的影響卻較弱，此刻，橫向力變成主要限制對(duì)象，所以檢測(cè)力和彎矩成為必要。

電阻應(yīng)變式傳感器是目前測(cè)力傳感器中應(yīng)用最多的一種，它的主要特性是準(zhǔn)確度高，非線性及滯后誤差小，蠕變小，使用壽命長(zhǎng)。并且其對(duì)傳感器的零點(diǎn)平衡、溫度漂移以及輸出標(biāo)準(zhǔn)化的定位點(diǎn)都進(jìn)行了全面的補(bǔ)償?，F(xiàn)有的二維測(cè)力傳感器采用在傳感器的不同位置粘貼兩種電阻應(yīng)變片的方式實(shí)現(xiàn)軸向力和橫向力的測(cè)量，但由于橫向力造成的應(yīng)變片的變形量較小，輸出靈敏度和準(zhǔn)確度都較低。二維測(cè)力傳感器使用的應(yīng)變片較多，這不僅對(duì)應(yīng)變片的制作及貼裝工藝有很高的要求，而且其它部件的制作精度也有很大的依賴，所以誤差也就隨之增大。六維力傳感器由于結(jié)構(gòu)、剛度、維間耦合、干擾力等因素導(dǎo)致精度很低，大概在1％左右，而一般的負(fù)重傳感器即一維傳感器的精度可達(dá)到0.01％～0.02％PP。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種檢測(cè)懸臂支撐件所受軸向力與力矩的傳感器，不僅能克服使用應(yīng)變片過(guò)多、輸出靈敏度不高、對(duì)環(huán)境依賴相對(duì)較高，精度可控性差等問(wèn)題，還能夠有效地縮短施工周期，延長(zhǎng)使用壽命。其能夠測(cè)量三維空間除繞Z軸(筒形軸心線)的兩個(gè)力矩以及軸向力，屬于三維力傳感器(Z軸力、X軸力矩、Y軸力矩)。該傳感器包括：含有法蘭連接面的筒形殼體、應(yīng)變片及測(cè)量電路等，應(yīng)變片一共4組均勻布置于筒形殼體內(nèi)壁中段減薄處，減薄的目的是使筒形殼體的應(yīng)變足夠大以便于提高傳感器的靈敏度。相鄰兩個(gè)應(yīng)變片成90°分布，相隔的兩個(gè)應(yīng)變片相對(duì)成180°分布。兩個(gè)法蘭連接面分別用于與底座固定和與懸臂支撐件連接，本發(fā)明將力及力矩的測(cè)量功能集成在一個(gè)傳感器中。由于4組應(yīng)變片均布在筒形殼體的壁面上，當(dāng)懸臂支撐件端部同時(shí)承受軸向力和橫向力時(shí)，應(yīng)變片因產(chǎn)生應(yīng)變促使電阻發(fā)生變化，測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化，最終間接的得到軸向力的大小以及力矩的大小和方向，將4組測(cè)量數(shù)據(jù)求和得到軸向力的測(cè)量值，兩相對(duì)應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)據(jù)求差得到兩個(gè)分力矩的測(cè)量值，將兩個(gè)分力矩進(jìn)行矢量和可以得到力矩大小和方向，根據(jù)懸臂支撐件力臂長(zhǎng)度還可以進(jìn)一步得到橫向剪力的大小，進(jìn)而可以得到懸臂支撐件任意位置的彎矩大小，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全控制。

附圖說(shuō)明

圖1為懸臂支撐件(1)及力傳感器(2)組合示意圖，力傳感器(2)通過(guò)法蘭盤分別與懸臂支撐件(1)和底座(3)進(jìn)行連接和固定，懸臂支撐件端部為一球形座，用來(lái)承載曲面，兩物體接觸，其作用力在接觸點(diǎn)的處，并在接觸面的法向上，因此必定會(huì)對(duì)懸臂件產(chǎn)生軸向力與橫向力，通過(guò)傳感器可測(cè)量軸向力與和由橫向力產(chǎn)生的力矩。

圖2為力傳感器(2)的2維視圖之一，為從傳感器底面向上觀察的視圖，圖3為力傳感器(2)的2維視圖之通過(guò)中心軸線的剖視圖，圖2中4、5、6、7所指4個(gè)位置為4個(gè)應(yīng)變片所處的位置，其中心為參照坐標(biāo)，位置相差90°，圖3中8所指位置為應(yīng)變片在軸向所處的位置，為筒形壁厚最薄處，最薄處上下至法蘭面其厚度逐漸變化以避免結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中對(duì)測(cè)量的影響，應(yīng)變片通過(guò)粘接固定在筒形傳感器內(nèi)壁上，以免應(yīng)變片受到碰撞損傷，筒形傳感器的兩端設(shè)有法蘭盤，同時(shí)筒形殼體內(nèi)壁中段明顯減薄，減薄的目的是使筒形殼體的應(yīng)變足夠大以便于提高傳感器的靈敏度。

具體實(shí)施方式

圖1中，傳感器的安裝位置在懸臂支撐件的根部，對(duì)于懸臂支撐件根部負(fù)載彎矩最大，根部彎矩最易檢測(cè)，因此傳感器以座式結(jié)構(gòu)安裝在懸臂支撐件的根部，傳感器的上端法蘭面與懸臂支撐件連接，下端法蘭面連接到基礎(chǔ)上，本實(shí)施例通過(guò)底座連接，即傳感器的下端法蘭面連接到底座的上安裝面上，再將底座與基礎(chǔ)固定，這樣的優(yōu)點(diǎn)是，底座上表面可以加工得平整，避免傳感器因固定產(chǎn)生附加的應(yīng)力影響檢測(cè)，懸臂支撐件頂端為球形座，承載時(shí)，懸臂支撐件端部必然會(huì)受到軸向力和橫向力，為避免結(jié)構(gòu)薄弱部位因受力或彎矩過(guò)大發(fā)生變形甚至斷裂，采用根部的傳感器感知以控制，避免發(fā)生安全問(wèn)題。

圖2中應(yīng)變片粘貼在內(nèi)側(cè)壁面上以避免使用中應(yīng)變片受到機(jī)械損傷，相鄰兩個(gè)應(yīng)變片成90°分布，相隔的兩個(gè)應(yīng)變片相對(duì)成180°分布，應(yīng)變片采用四驅(qū)橋連接方式，通過(guò)測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榱Φ淖兓瑘D3中顯示傳感器的筒壁粘貼應(yīng)變片的位置較薄，以便于可以發(fā)生較大的應(yīng)變，便于檢測(cè)，較薄處向法蘭過(guò)渡時(shí)，為免在厚度突變時(shí)發(fā)生應(yīng)力集中殃及到傳感器測(cè)量點(diǎn)影響測(cè)量精度，在粘貼應(yīng)變片的上下兩側(cè)筒壁的壁厚逐漸增大過(guò)渡到法蘭處。

將四組應(yīng)變片的測(cè)量數(shù)值求和可以得到軸向力的大小，將2組相對(duì)的應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)分別求差，可以得到兩個(gè)力矩，將它們進(jìn)行矢量求和，便可得到總力矩的大小和方向，根據(jù)懸臂支撐件任意位置到支撐接觸點(diǎn)的垂向距離，即可得到懸臂支撐件任意位置的力矩，進(jìn)而可以根據(jù)懸臂支撐件結(jié)構(gòu)薄弱部位的限制對(duì)載荷進(jìn)行限制或控制。