一种基于串联原理的力量测复合装置的制作方法

本发明属于土木、机械等工程领域，涉及一种力精确量测装置，尤其是涉及一种基于串联原理的力量测复合装置。

背景技术：

力传感器是量测一个物体对另一物体施加荷载大小的设备或元件，已被广泛应用于工程测试、加工及自动化控制等领域。如在工程测试中，对测试梁或柱等构件施加的荷载值、对土体压缩试验的固结力或三轴试验的剪切力，及基于荷载大小的自动化控制系统等都需要荷载精确量测。

然而，当前存在的力传感器由于其自身材料、结构特点、感应原件等的限制，存在量程与精度或分辨率不能兼顾的实际问题，即当传感器量程足够大的时候，其精度无法保证；反之，当精度满足特定要求的情况下，传感器的量程不足以达到荷载测试范围的要求。实际工程测量中，如土体压缩固结试验，在初始阶段施加的固结力仅为力传感器满量程的0.66％；而在后续施加的最大荷载值竟达到传感器满量程的84.45％。在这种情况下，为了对施加的每级荷载进行量测且保证施加荷载不超过传感器的量程(即为了保护传感器)，在选用力传感器时，只能首先选择大量程力传感器其次考虑传感器的精度。

因此，开发研制复合式力量测装置，使得满足量程要求的同时又尽可能的提高测试精度，对提高工程测试及自动化控制系统的精确性具有重要的实际应用价值和工程意义。

技术实现要素：

本发明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基于串联原理的力量测复合装置，以解决当前力传感器存在的量程与精度不能同时兼顾的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于串联原理的力量测复合装置，该装置包括连接杆、传力杆、大量程力传感器、小量程力传感器、上托板、下托板、弹簧、弹簧套管及传力架，所述的大量程力传感器与小量程力传感器分别设在连接杆的上端与下端，所述的上托板设在连接杆上，位于大量程力传感器与小量程力传感器之间，大量程力传感器、小量程力传感器、上托板三者以串联形式布置；所述的小量程力传感器下端连接传力杆，传力杆下端连接弹簧，所述的传力杆部分长度和弹簧设置在弹簧套管内，所述的弹簧套管底部固定在下托板上，所述的弹簧下端连接到下托板上，所述的传力架设在下托板外沿，其顶部与上托板在初始状态下保持特定的距离，所述的大量程力传感器上端、下托板下端为测量时受力端。

所述的连接杆与传力杆同一直线设置。

当装置沿轴线受到荷载超过临界值后，上托板与传力架接触并保护小量程力传感器。

当装置沿轴线受到荷载不超过临界值时，荷载值将由大量程力传感器、小量程力传感器同步独立量测；超过临界值时，荷载将由大量程力传感器量测。

所述小量程力传感器底部与弹簧套管上端保持距离，该距离大于传力架顶部到上托板下底面的距离。

所述连接杆、传力杆为精细加工的高强度金属空心管。

所述的上托板、传力架和下托板为精细加工的高强度金属板。

所述弹簧套管为精细加工的高强度金属空心管。

所述弹簧材质应具有较好的弹性性能，如弹簧钢材。弹簧在一定范围内受荷，其变形与加载值具有较好的线性相关性。弹簧上端固定在传力杆下端，下端固定在下托板上。

所述的弹簧套管下部固定在下托板上，小量程力传感器下端连接的传力杆部分长度与弹簧从弹簧套管上部穿入并连接在下托板上。

所述大量程力传感器、小量程力传感器均为当前市场上可购买的力量测元件，或基于应变等原理经过精细加工而制作的力量测元件。

本发明提供的力量测复合装置可分为传力系统、控制系统、量测系统三部分，其中连接杆、传力杆、上托板、下托板、传力架组成传力系统；弹簧和弹簧套管组成基于变形的控制系统，控制系统能准确控制上托板与传力架的接触，从而达到保护小量程力传感器的目的；大量程力传感器、小量程力传感器组成量测系统。

所述传力系统工作原理：在施加力小于设定临界值时，上托板与传力架之间不接触，力通过连接杆、传力杆、下托板传力；当施加力大于设定临界值后，上托板与传力架相接触，除部分力通过连接杆、传力杆、下托板传递外，另一部分力通过上托板、传力架、下托板传递。

所述控制系统工作原理：基于弹簧受压或受拉变形的基本原理，控制上托板与传力架之间的相对位置；而上托板与传力架之间间隔的留取，应依据弹簧的刚度而定；弹簧套筒保证弹簧、传力杆及下托板之间力传递的稳定。

所述量测系统工作原理：当施加力小于设定的临界值时，力经过大量程力传感器、小量程力传感器沿着中轴线传递，大量程力传感器和小量程力传感器的读数均为此时施加力的大小，实现大量程力传感器和小量程力传感器同时量测荷载值，由小量程力传感器满足试验量测要求的精度；当施加力达到或大于设定临界值时，全部施加荷载由大量程力传感器量测，而小量程力传感器仅测得部分施加力。

本发明基于串联原理的力量测复合装置使用情况如下：针对实际工程中需要量测力的特征(大小、作用方向、精度要求)，首先依据拟施加的最大力选择大量程力传感器，依据量测精度要求选择小量程力传感器，并将选择好的力传感器固定在量测复合装置内；其次，基于测试荷载作用方向布置力量测复合装置，使荷载通过大量程力传感器上端，经过传力杆等传递到下托板的底座。在逐级增加荷载的过程中，当施加的力小于临界荷载值(如小量程力传感器满量程的80％)时，荷载通过大量程力传感器、连接杆、小量程力传感器、传力杆、弹簧，再到下托板，命名为共同量测阶段；当施加的荷载达到或超过临界荷载值时，上托板与传力架接触，除一部分荷载通过小量程力传感器外，其余力通过上托板和传力架传至下托板及其底座，命名为大量程力传感器量测阶段。在前一阶段(共同量测阶段)，荷载大小由两个力传感器同步单独量测，而小量程力传感器测出的荷载值精度更高；在后一阶段(大量程力传感器量测阶段)，荷载大小仅由大量程力传感器单独量测。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明装置既有较高的量测精度(高精度)又有较大的量测荷载值范围(量程大)；

2.本发明装置可依据实际量测荷载特征，自由选取具体的力传感器组合，具有更好的量测精度与范围；

3.本发明装置工作原理与制作简单、造价低廉，操作方便，测试结果精确可靠，实用性强。

附图说明

图1为本发明基于串联原理的力量测复合装置的结构示意图。

图中标号：1、大量程力传感器；2、小量程力传感器；3、连接杆；4、传力杆；5、弹簧；6、弹簧套管；7、上托板；8、下托板；9、传力架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于串联原理的力量测复合装置，如图1所示，该装置包括连接杆3、传力杆4、大量程力传感器1、小量程力传感器2、上托板7、下托板8、弹簧5、弹簧套管6及传力架9，大量程力传感器1与小量程力传感器2分别设在连接杆3的上端与下端，上托板7设在连接杆3上，位于大量程力传感器1与小量程力传感器2之间，大量程力传感器1、小量程力传感器2、上托板7三者以串联形式布置；小量程力传感器2下端连接传力杆4，传力杆4下端连接弹簧5，传力杆4部分长度和弹簧5设置在弹簧套管6内，弹簧套管6底部固定在下托板8上，弹簧5下端连接到下托板8上，传力架9设在下托板8外沿，其顶部与上托板7在初始状态下保持特定的距离，大量程力传感器1上端、下托板8下端为测量时受力端。

连接杆3与传力杆4同一直线设置。当装置沿轴线受到荷载超过临界值如小量程力传感器量程的80％后，上托板7与传力架9接触并保护小量程力传感器2。当装置沿轴线受到荷载不超过临界值如小量程力传感器量程的80％时，荷载值将由大量程力传感器1、小量程力传感器2同步独立量测；超过临界值时，荷载将由大量程力传感器1单独量测。

所述小量程力传感器2底部与弹簧套管6上端保持距离，该距离大于传力架9顶部到上托板7下底面的距离。

所述连接杆3、传力杆4为精细加工的高强度金属空心管。上托板7、传力架9和下托板8为精细加工的高强度金属板。所述弹簧套管6为精细加工的高强度金属空心管。所述弹簧5材质应具有较好的弹性性能，如弹簧钢材。弹簧5在一定范围内受荷，其变形与加载值具有较好的线性相关性。弹簧5上端固定在传力杆4下端，下端固定在下托板8上。

弹簧套管6下部固定在下托板8上，小量程力传感器2下端连接的传力杆4部分长度与弹簧5从弹簧套管6上部穿入并连接在下托板8上。

所述大量程力传感器1、小量程力传感器2均为当前市场上可购买的力量测元件，或基于应变等原理经过精细加工而制作的力量测元件。

本发明提供的力量测复合装置可分为传力系统、控制系统、量测系统三部分，其中连接杆3、传力杆4、上托板7、下托板8、传力架9组成传力系统；弹簧5和弹簧套管6组成基于变形的控制系统，控制系统能准确控制上托板7与传力架9的接触，从而达到保护小量程力传感器2的目的；大量程力传感器1、小量程力传感器2组成量测系统。

所述传力系统工作原理：在施加力小于设定临界值时，上托板7与传力架9之间不接触，力通过连接杆3、传力杆4、下托板8传力；当施加力大于设定临界值后，上托板7与传力架9相接触，除部分力通过连接杆3、传力杆4、下托板8传递外，另一部分力通过上托板7、传力架9、下托板8传递。

所述控制系统工作原理：基于弹簧5受压或受拉变形的基本原理，控制上托板7与传力架9之间的相对位置；而上托板7与传力架9之间间隔的留取，应依据弹簧5的刚度而定；弹簧套筒6保证弹簧5、传力杆4及下托板7之间力传递的稳定。

所述量测系统工作原理：当施加力小于设定的临界值时，力经过大量程力传感器1、小量程力传感器2沿着中轴线传递，大量程力传感器1和小量程力传感器2的读数均为此时施加力的大小，实现大量程力传感器1和小量程力传感器2同时量测荷载值，由小量程力传感器2满足试验量测要求的精度；当施加力达到或大于设定临界值时，全部施加荷载由大量程力传感器1量测，而小量程力传感器2仅测得部分施加力。

本发明基于串联原理的力量测复合装置使用情况如下：针对实际工程中需要量测力的特征及要求(如，大小、作用方向、精度要求)，首先依据拟施加的最大力值选择大量程力传感器1，依据量测精度要求选择小量程力传感器2，并将选择好的力传感器固定在量测复合装置内；其次，基于拟测试力作用方向布置力复合量测装置，使荷载通过大量程力传感器1、连接杆3等传递到下托板8的底座。在逐级施加力的过程中，当施加的力小于设定的临界荷载值(如小量程力传感器满量程的80％)时，力通过大量程力传感器1、连接杆3、小量程力传感器2、传力杆4、弹簧5，再到下托板8，命名为共同量测阶段；当施加的力达到或超过设定的临界荷载值时，上托板7与传力架9接触，除一部分荷载通过小量程力传感器2外，其余力通过上托板7和传力架9传至下托板8，命名为大量程力传感器1量测阶段。在前一阶段(共同量测阶段)，荷载大小由两个力传感器同步单独量测，而小量程力传感器2测出的荷载值精度更高；在后一阶段(大量程力传感器1量测阶段)，施加力大小仅由大量程力传感器1单独量测。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。