專利名稱：應變式力傳感器的內錐形彈性體及其優化方法
技術領域：
本發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和動態特性研究中，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的離散性，導致轉矩系數離散，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%左右氣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 ]。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和溫度測量系統，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^’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。

發明內容
本發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。本發明的另一個目的是提供上述內錐形彈性體的優化方法。本發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。本發明所采用的另一個技術方案是，上述內錐形彈性體的優化方法，其具體操作步驟如下第一步，根據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下面的迭代公式確定錐形凹部錐角的調整量
權利要求
1.一種應變式力傳感器的內錐形彈性體，其特征在于包括圓柱形基體(1)，基體(1) 上部設置有錐形凹部O)，錐形凹部O)的底部設置有中心孔(3)；錐形凹部O)的錐面上設置有應變片；錐形凹部O)的中軸線與中心孔(3)的中軸線位于同一條直線上。
2.—種權利要求1所述內錐形彈性體的優化方法，其特征在于，具體操作步驟如下第一步，根據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；第一步，采用有限元方法，根據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 根據下面的迭代公式確定錐形凹部錐角的調整量
全文摘要
本發明提供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。該彈性體的優化方法為先估計出一個初始尺寸；再采用有限元方法，計算彈性體在螺栓軸向力作用下的應力；然后調整模型的錐角直至內錐面上的應力分布均勻；在不改變錐角的條件下，調整基體的厚度，使錐面上的應力水平達到要求；最后將有限元計算獲得的模型尺寸圓整，作為彈性體最終尺寸。本發明為簡單的回轉體，加工和熱處理工藝性都較好，應變片粘貼部位應力分布均勻，對應變片粘接位置的準確性沒有要求。軸向尺寸較輪輻式小，更適合螺栓軸向力的測量。
文檔編號G01L1/18GK102539031SQ201210003249
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者于雷, 王世軍, 趙金娟 申請人:西安理工大學