体变形测力系统的制作方法

专利名称:体变形测力系统的制作方法
本实用新型涉及一种感知和测量外力(包括气压、液压、重力等)的体变形测力系统。
现有的测力测压传感器大多利用弹性元件的线应变、线位移、角应变、角位移等来感知外力的变化，这些应变、位移都具有方向性，且都是微小量。对于外力方向和位置的偏差比较敏感，其中应变量较之位移量更为敏感。由于应变、位移量具有方向性，感知器件的安装(如应变片的粘贴)误差就会明显地反映到测量结果中。又由于这些应变、位移量是微小量，须经放大后才能读出，放大机机本身又会造成新的误差。
本实用新型目的在于设计一种体变形测力系统，可以减少外力方向和作用位置偏差的影响，减少放大机构的误差影响，又可减少本测力系统安装偏差的影响。
一个由管道作为连接手段的体变形测力系统，其特征在于，其中连通有一个或若干个体变形传感器和测力指示器。其中体变形传感器为该测力系统的外力(压力、重力等)感知元件，是系统中的核心部件。体变形传感器的特征在于，它或者为膜盒，或者为波纹管，或者为球壳，或者为筒体，或者为刚性凹穴与膜片包围而成等水密的空心弹性元件，其上开有通向系统管道的通道口。当被测外力为重力时，重力则通过连结在空心弹性元件外表面的重力传递杆作用在空心弹性元件上。体变形测力系统的另一关键部件——测力指示器的特征在于，它是一端封闭且配有固定或可调读数刻度指示的透明毛细液位管装置，其另一端与系统管道(3)连接。封闭端可以用薄膜软管密封，以确保系统内自动消除大气压变化的影响。透明毛细液位管对管内液体应是非浸润的，比如可采用玻璃管内装酒精。透明毛细液位管的读数刻度指示可作成下面两种形式(1)读数刻度直接刻在透明毛细液位管上；(2)在透明毛细液位管近旁配置固定或可调的读数刻度指示板，当可调的读数刻度指示板沿透明毛细液位管移动时，可在小范围内调节测力指示器的零位。测力指示器还可以作成液位－－电量转换装置，其中包括一套转换电路，方案(A)的特征在于，在充有导电液体的液位管内装有电阻丝。液位管内的导电液体与系统的其它部件应绝缘，在系统的其它部分充绝缘油可以作到这一点。对于电阻丝外表面来说，导电液体应同时具有非浸润性。当液位管内液位变化时，则电阻丝阻值发生变化。这就成完了液位——电量的转换。方案(B)的特征在于在液位管内，浮有铁磁材料的柱体浮子，在液位管外绕有检测线圈(相当于差动变压器)。为了保证柱体浮子有足够的浮力，可在其上端封装一段中空塑料管子。当浮子在线圈中央时，检测线圈无信号输出。液位管内液位变化而浮子上下移动时，检测线圈将有信号输出。所有这些电讯号都可用电气仪表进行测量，甚至转化为数字讯号加以利用。检测线圈的设计，电阻、电位变化的测量，对电气技术人员而言，都已经是成熟技术了，这里不再一一赘述。体变形传感器及测力指示器的基本原理是体变形传感器受到外力作用后，其内部空腔的容积发生变化，腔内的液体通过系统管道挤入测力指示器。在弹性范围内，外力和腔内的容积变化量成比例关系。由于液体的不可压缩性，故测力指示器内的液位也成比例地变化。这样，被测的外力通过测力指示器内的液位指示直接读出或经液位——电量转换后由电气测量仪表读出。
上述的体变形测力系统，其特征在于系统内可连通有零位——温度补偿调节器。零位——温度补偿调节器的特征在于，它或者由膜盒，或者由波纹管，或者由球壳，或者由筒体，或者由刚性凹穴与膜片包围而成等水密的空心弹性元件及控制其腔内容积的体变形微调机构组成。由于液体热胀冷缩以及各部件及联接管路容积随温度而变化，因此，当环境温度发生变化时，液位管内液位随之发生变化，从而导致测量值读数产生误差。另外，由于长期使用后，系统内的液体可能发生微小渗漏，空心弹性元件可能发生蠕变，导致容积变化，这些都可能造成液体的零位变化。这同样产生测量读数误差。零位——温度补偿调节器的功能正是在于消除或弥补这些误差，其工作原理是当测量环境温度升高使得系统内液体体积增大时，通过调节零位－－温度补偿调节器的体变形微调机构中的调节旋钮使之空腔内容积变大，将热膨胀增加的液体体积储存起来，维持了测力指示器内的液位不因温度升高而增加，反之亦然。当被测外力为零时，通过调节其变形微调机构的调节旋钮直到测力指示器的读数为零，从而保证了测量基准的正确性。一般说来，如果在测量过程中测量环境的温度不变或变化不大，只需用旋钮调整零位即可。否则应先用旋钮调好零位，再调整温度刻度指示数，使板上与当时测量环境温度相应的温度刻度线对准调节旋钮上指示刻度线的记号。在读取测量读数时，先调节旋钮，使温度刻度指示器与环境温度相应的温度刻度线对齐旋钮上的记号之后，再读取测量读数。零位——温度补偿调节器的体变形微调机构可分别按下述四种方案实现(1)包括一个一端为调节旋钮，另一端与空心弹性元件外表面连接或压紧的螺杆件。螺杆件的螺纹部分与一位置相对于弹性元件的自然几何中心固定的螺孔配合。调节旋钮配有与之分离的可调温度刻度指示板，调节旋钮上装有温度指针。(2)较之方案(1)增加一套微型减速机构。减速机构的输出端与螺杆件的一端相连接，螺杆件的另一端连接或压紧空心弹性元件的外表面。减速机构的输入端装有调节旋钮。其它部分与方案(1)相同。(3)为杠杆机构。杠杆的一端与空心弹性元件的外表面铰接，杠杆的支点相对于弹性元件的自然几何中心固定不动，靠端部为调节旋钮的螺纹顶杆，推动杠杆的另一端实现体变形微调。调节旋钮配有指针和与之分离的可调温度刻度指示板。(4)为楔块结构。一端为调节旋钮的螺杆件的另一端连接一楔形块。旋转配有可调温度刻度指示板的调节旋钮，与精密螺孔配合的螺杆件推或拉动楔形块，使得一端与楔形块配合而另一端连接空心弹性元件的导杆移动，迫使空心弹性元件变形。
体变形测力系统的特征还在于，系统管道可连通有量程调节器。量程调节器的特征在于，它或者由膜盒，或者由波纹管，或者由球壳，或者由筒体，或者由刚性凹穴与膜片包围而成等水密的空心弹性元件及控制其内部容积的体变形换档机构组成。当被测外力的量程较大时，较大体积的液体被挤入测力指示器，而测力指示器的透明毛细管或液位管通径较小，则其中的液位线度必然很长，这是考虑到当精确测量时要保证足够的分辨率而通径必须足够小的缘故。这样长的液位线度对于测力指示器的制造和使用来说都是不方便的。为此，在系统中装设量程调节器可能决这一矛盾。其换档机构基本原理及结构与零位——温度补偿调节器相似，不同处在于，空心弹性元件空腔内的容积是分档调节的。如被测外力的全量程为0～8，若将整个量程分为四档，则四档分别为0～2、2～4、4～6、6～8，当调节换档旋钮(与上述的调节旋钮类似)到档次指示板标定的某一档次位置时，换档机构中的弹性定位钢球或弹性定位销自动将换档旋钮定位。量程调节器的基本原理是当体变形传感器内的液体在较大外力作用下被挤出时，其中部分体积液体流入(或者说储入)已经换入该档次的量程调节器内，而其余液体进入测力指示器。这时，测力指示器上该档次的读数即为实际测量值读数。
体变形测力系统的特征还在于，系统管道连通有联合调节器，这时，它取代了零位——温度补偿调节器和量程调节器。联合调节器的特征在于，它或者由膜盒，或者由波纹管，或者由球壳，或者由筒体，或者由中间环形骨架与两端的膜片包围而成，或者由刚性凹穴与膜片包围而成等水密的空心弹性元件及控制其内部容积的体变形联合调节机构组成。体变形联合调节机构可依下述两个方案实现(1)为同轴线且对称安装的两螺杆件调节机构。两螺杆件的一端分别连接或压紧由中间环形骨架支撑的两独立变形的膜片外表面，另一端分别为换档旋钮和零位——温度补偿调节旋钮。简言之，即量程调节器与零位——温度补偿调节器共用同一空心弹性元件，而体变形微调机构和换档机构则分别与前述的内容相同。(2)为同轴线的、安装于同侧的两复合螺杆机构。其中一个螺杆件为一端是零位——温度补偿调节旋钮另一端是外螺纹的空心螺杆件，另一螺杆件为一端是换档旋钮另一端为外螺纹的空心螺杆件。实心螺杆件与固定在空心弹性元件之外表面的螺母配合。分别调节两旋钮时，可完成零位——温度补偿调节或量程调节。这种结构方案的详细内容在本文后面的实施例和附图中将得到描述。
体变形测力系统与现有的利用弹性元件的线应变、线位移、角应变、角位移等方式来感知和测量力的技术相比，其优点在于，按弹性力学原理，体变形是线位移的一种积分，没有方向性，角变形的影响微不足道。同其他测量方法相比，外力偏差，安装偏差对测量精度的影响较小。所以测量体变形比测量线应变、线位移、角应变、角位移等有更高的精度。测力指示器的透明毛细液位管的通径可以细至0.2～4mm，体变形传感器空腔内微小的容积变化可以通过系统内的液体在透明毛细液位管内以足够长的线度得到真实明显的显示，其本身即为一种误差小，可靠性好的放大器件。对于测力指示器的液位——电量转换形式来说，同样不失为一种具有上述特性的转换及放大装置。
以下将结合附图对本发明作进一步的描述。
图1体变形测力系统原理图图2体变形传感器(1)的纵剖面图图3测力指示器(2)的纵剖面图图4零位——温度补偿调节器(4)的纵剖面图图5量程调节器(5)的纵剖面图图6联合调节器(6)(第(2)方案)的纵剖面图图7液位——电量转换装置的液位管(方案(A))原理图图8液位——电量转换装置的液位管(方案(B))原理图先介绍图4、5、7、8，图1、2、3、6将结合一具体实施例在后面介绍。
参照图4，零位——温度补偿调节器(4)中的压紧盖(10)在紧固螺钉(9)的作用下，将刚性凹穴(7)和膜片(8)压紧，使两者包围成一水密的空心弹性元件。刚性凹穴(7)的侧面开有连通系统管道(3)的通道口。刚性凹穴(7)与膜片(8)之间装配前已涂有密封胶。零位——温度补偿旋钮(16)的另一端为园锥体，中间的螺纹部分与压紧盖(10)的螺孔配合。借助于上平面有园锥凹坑的垫块(17)，园锥状端部压紧膜片(8)，能绕中心轴线转动的可调温度指示板(18)装在压紧盖(10)的上平面，旋钮(16)的外园上固定有温度指针(19)。
参照图5，量程调节器(5)中的压紧盖(10)在紧固螺钉(9)的作用下，将刚性凹穴(7)和膜片(8)压紧，使两者包围成一水密的空心弹性元件，装配前它们之间的密封面已涂好密封胶。换档机构中的换档旋钮(20)的另一端是外螺纹，中段为沿外园母线方向均布的档次定位槽。外螺纹通过连接螺母(26)与膜片(8)连接。装在压紧盖(10)横向小孔内的定位钢球(21)在压缩弹簧(22)和螺钉(23)的作用力下，将换档旋钮(20)定位在某一档次。档次指示板(24)固定在压紧盖(10)的上平面。换档旋钮(20)的外园上固定有档次指示针(25)。
参照图7，其中装有电阻丝(32)的液位管(31)作成U型管形式，内部充有超导体水银，而系统内其它部分则充以绝缘油。橡皮塞(33)将液位管(31)与系统管道(3)连通。当液位管(31)内的液位变化时，电阻丝(32)的阻值随之变化。根据具体的转换电路设计，阻值的变化可以电压信号或者其它形式的电信号输出。这些设计对于电气专业的技术人员来说，已是成熟的技术了。
参照图8，液位管(31)作成U型管形式，其内部充有与系统其他部分同样的液体，如水、酒精、油类等。橡皮塞(33)起连通系统管道(3)和液位管(31)的作用。液位管(31)的液面一侧浮有铁磁材料(如铁淦氧)的柱体浮子(34)，柱体浮子(34)上端封闭有中空的塑料管段(35)。当被测外力为零时，柱体浮子的磁性体部分(34)应处于检测线圈(36)的中部位置。
下面借助于实施例附图，包括图1、2、3、6，详细介绍本设计的一个具体实施例。
参照图1、3、6，图1中的系统管道(3)将若干个(图中只画出一个)体变形传感器(1)、联合调节器(6)和测力指示器(2)连接成体变形测力系统。系统管道(3)的通径可在0.2～4mm之间。图3中，测力指示器(2)的透明毛细液位管(12)的通径也在0.2～4mm之间。靠橡胶管接头(15)，系统管道(3)得以与另一端封闭有可变形薄膜软管(13)的透明毛细液位管(12)连通。测量前准备这时被测外力为零，参照图1、6，调整好联合调节器(6)的换档旋钮(20)和零位——温度补偿调节旋钮(16)(联合调节器的结构及原理详见后叙附图6的内容)，使透明毛细液位管(12)内的液面与读数刻度指示板(14)的零位对齐。测量当被测外力(图1中表示为测重力)作用在体变形传感器(1)上时，其空腔内的有色液体被挤出，通过透明毛细液位管(12)的液面在读数刻度指示板(14)上相应量程刻度的指示，可读出被测外力的数值。
参照图2，紧固螺钉(9)将刚性凹穴(7)、膜片(8)及压紧盖(10)紧固在一起。刚性凹穴(7)与膜片(8)包围成一水密的空心弹性元件，其侧面有连通系统管道(3)的螺纹通道口。重力传递杆(11)与膜片(8)紧固在一起(如被测外力为压力则压力直接作用在膜片上)。压紧盖(10)上部的光孔是重力传递杆(11)的导向孔。重力传递杆(11)的凸肩平面与压紧盖(10)导向孔的凹平面之间形成间隙，此间隙为限位间隙，其作用是当被测外力大于膜片(8)在弹性范围的允许值时，起保护作用。
参照图6，紧固螺钉(9)将刚性凹穴(7)、膜片(8)和压紧盖(10)紧固在一起。刚性凹穴(7)的侧面开有连通系统管道(3)的螺纹孔。零位——温度补偿调节旋钮(16)下面的外螺纹与压紧盖(10)上部的内螺纹配合。换档旋钮(20)的螺杆穿过零位——温度补偿调节旋钮(16)的中心光孔拧入连结膜片(8)的连接螺母(26)。若干个分别装入压紧盖(10)纵向小孔内的磨擦销(27)，在压缩弹簧(28)的作用下，抵住零位——温度补偿调节旋钮(16)的下平面，其作用是当旋转换档旋钮(20)时，不致带动零位——温度补偿旋钮(16)。装在支撑环(29)横向小孔内的定位钢球(21)，在压缩弹簧(22)和螺钉(23)的作用下，顶在换档旋钮(20)的纵向定位槽内。表面上刻有档次标记的档次指示板(24)固定在支撑环(29)的上平面。换档旋钮(20)的外园表面固定有档次指示针(25)。温度指针(19)固定在零位——温度补偿调节旋钮(16)的外园上，与此对应，支撑环(29)的外表面装有可调温度指示板(18)，零位——温度补偿旋钮(16)的环形槽内装满数个减磨钢球(30)。支撑环(29)下部的内螺纹与压紧盖(10)上部的外螺纹拧紧，支撑环(29)的主要作用是支撑膜片(8)的弹性力。在图6中，还包括支撑环(29)的零件图。联合调节器(6)的操作是这样测量前，先将换档旋钮(20)旋转至预定被测外力所在的档次，由于下部螺杆的转动，螺母(17)将膜片(8)拉起或压下，系统内的有色液体进入联合调节器(6)的弹性元件内，或其中的有色液体挤出，完成量程调节。然后旋转零位——温度补偿调节旋钮(16)，直至测力指示器的液位为标定零位。再旋转可调温度指示板(18)，使相当于当时测量环境温度的刻度线与温度指针(19)对齐。测量结束时，旋转零位——温度补偿旋钮(16)，使温度指针(19)对准相应于此时测量环境温度的刻度后，再读取测量值读数。
权利要求
1.一个由系统管道(3)作为连接手段的体变形测力系统，其特征在于，其中连通有一个或若干个体变形传感器(1)和测力指示器(2)。
2.按权利要求
1所述的体变形测力系统，其特征在于，系统管道(3)连通有零位——温度补偿调节器(4)。
3.按权利要求
1所述的体变形测力系统，其特征在于，系统管道(3)连通有量程调节器(5)。
4.按权利要求
2所述的体变形测力系统，其特征在于，系统管道(3)连通有量程调节器(5)。
5.按权利要求
1所述的体变形测力系统，其特征在于，系统管道(3)连通有联合调节器(6)。
6.按权利要求
1至5中的任何一项所述的体变形测力系统，其特征在于，体变形传感器(1)或者为膜盒，或者为波纹管，或者为球壳，或者为筒体，或者为刚性凹穴(7)与膜片(8)包围而成等水密的空心弹性元件，其上开有连通系统管道(3)的通道口。
7.按权利要求
1至5中的任何一项所述的体变形测力系统，其特征在于，测力指示器(2)为一端封闭，一端与系统管道(3)连接，且配有固定或可调读数刻度指示的透明毛细液位管(12)装置。
8.按权利要求
1至5中的任何一项所述的体变形测力系统，其中的测力指示器为包括转换电路的液位——电量转换装置，其特征在于，在充有导电液体的液位管(31)内装有电阻丝(32)。
9.按权利要求
1至5中的任何一项所述的体变形测力系统，其中的测力指示器为包括转换电路的液位——电量转换装置，其特征在于，在液位管(31)内，浮有铁磁材料的浮子(33)，在液位管(31)外绕有检测线圈(36)。
10.按权利要求
2、4中的任何一项所述的体变形测力系统，其特征在于，零位——温度补偿调节器(4)或者由膜盒，或者由波纹管，或者由球壳，或者由筒体，或者由刚性凹穴(7)与膜片(8)包围而成等水密的空心弹性元件及控制其内部容积的体变形微调机构(16)～(19)组成。
11.按权利要求
3、4中的任何一项所述的体变形测力系统，其特征在于，量程调节器(5)或者由膜盒，或者由波纹管，或者由球壳，或者由筒体，或者由刚性凹穴(7)与膜片(8)包围而成等水密的空心弹性元件及控制其内部容积的体变形换档机构(20)～(26)组成。
12.按权利要求
5所述的体变形测力系统，其特征在于，联合调节器(6)或者由膜盒，或者由波纹管，或者由球壳，或者由筒体，或者由中间环形骨架与两端的膜片包围而成，或者由刚性凹穴(7)与膜片(8)包围而成等水密的空心弹性元件及控制其内部容积的体变形联合调节机构(16)和(18)～(30)组成。
专利摘要
本实用新型涉及测量外力大小(指气压、液压和重力等)的体变形测力系统。主要包括由空心弹性元件组成的体变形传感器和测力指示器。还可包括零位——温度补偿调节器、量程调节器等部件。体变形传感器受外力作用，容积变化，内部液体被挤进测力指示器，外力数值得以显示。本系统比同类测力装置有较好的测量精度，可减少安装误差造成的影响，免除放大机构带来的误差。测力指示器上可根据液位直接读出示值，也可将液位转换成电量由仪表显示。
文档编号G01L1/02GK86208059SQ86208059
公开日1987年9月23日 申请日期1986年10月12日
发明者徐孟飚, 徐增, 张国 申请人:徐孟飚