本發明屬于土木、機械等工程領域，涉及一種力精確量測裝置，尤其是涉及一種基于串聯原理的力量測復合裝置。

背景技術：

力傳感器是量測一個物體對另一物體施加荷載大小的設備或元件，已被廣泛應用于工程測試、加工及自動化控制等領域。如在工程測試中，對測試梁或柱等構件施加的荷載值、對土體壓縮試驗的固結力或三軸試驗的剪切力，及基于荷載大小的自動化控制系統等都需要荷載精確量測。

然而，當前存在的力傳感器由于其自身材料、結構特點、感應原件等的限制，存在量程與精度或分辨率不能兼顧的實際問題，即當傳感器量程足夠大的時候，其精度無法保證；反之，當精度滿足特定要求的情況下，傳感器的量程不足以達到荷載測試范圍的要求。實際工程測量中，如土體壓縮固結試驗，在初始階段施加的固結力僅為力傳感器滿量程的0.66％；而在后續施加的最大荷載值竟達到傳感器滿量程的84.45％。在這種情況下，為了對施加的每級荷載進行量測且保證施加荷載不超過傳感器的量程(即為了保護傳感器)，在選用力傳感器時，只能首先選擇大量程力傳感器其次考慮傳感器的精度。

因此，開發研制復合式力量測裝置，使得滿足量程要求的同時又盡可能的提高測試精度，對提高工程測試及自動化控制系統的精確性具有重要的實際應用價值和工程意義。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于串聯原理的力量測復合裝置，以解決當前力傳感器存在的量程與精度不能同時兼顧的問題。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于串聯原理的力量測復合裝置，該裝置包括連接桿、傳力桿、大量程力傳感器、小量程力傳感器、上托板、下托板、彈簧、彈簧套管及傳力架，所述的大量程力傳感器與小量程力傳感器分別設在連接桿的上端與下端，所述的上托板設在連接桿上，位于大量程力傳感器與小量程力傳感器之間，大量程力傳感器、小量程力傳感器、上托板三者以串聯形式布置；所述的小量程力傳感器下端連接傳力桿，傳力桿下端連接彈簧，所述的傳力桿部分長度和彈簧設置在彈簧套管內，所述的彈簧套管底部固定在下托板上，所述的彈簧下端連接到下托板上，所述的傳力架設在下托板外沿，其頂部與上托板在初始狀態下保持特定的距離，所述的大量程力傳感器上端、下托板下端為測量時受力端。

所述的連接桿與傳力桿同一直線設置。

當裝置沿軸線受到荷載超過臨界值后，上托板與傳力架接觸并保護小量程力傳感器。

當裝置沿軸線受到荷載不超過臨界值時，荷載值將由大量程力傳感器、小量程力傳感器同步獨立量測；超過臨界值時，荷載將由大量程力傳感器量測。

所述小量程力傳感器底部與彈簧套管上端保持距離，該距離大于傳力架頂部到上托板下底面的距離。

所述連接桿、傳力桿為精細加工的高強度金屬空心管。

所述的上托板、傳力架和下托板為精細加工的高強度金屬板。

所述彈簧套管為精細加工的高強度金屬空心管。

所述彈簧材質應具有較好的彈性性能，如彈簧鋼材。彈簧在一定范圍內受荷，其變形與加載值具有較好的線性相關性。彈簧上端固定在傳力桿下端，下端固定在下托板上。

所述的彈簧套管下部固定在下托板上，小量程力傳感器下端連接的傳力桿部分長度與彈簧從彈簧套管上部穿入并連接在下托板上。

所述大量程力傳感器、小量程力傳感器均為當前市場上可購買的力量測元件，或基于應變等原理經過精細加工而制作的力量測元件。

本發明提供的力量測復合裝置可分為傳力系統、控制系統、量測系統三部分，其中連接桿、傳力桿、上托板、下托板、傳力架組成傳力系統；彈簧和彈簧套管組成基于變形的控制系統，控制系統能準確控制上托板與傳力架的接觸，從而達到保護小量程力傳感器的目的；大量程力傳感器、小量程力傳感器組成量測系統。

所述傳力系統工作原理：在施加力小于設定臨界值時，上托板與傳力架之間不接觸，力通過連接桿、傳力桿、下托板傳力；當施加力大于設定臨界值后，上托板與傳力架相接觸，除部分力通過連接桿、傳力桿、下托板傳遞外，另一部分力通過上托板、傳力架、下托板傳遞。

所述控制系統工作原理：基于彈簧受壓或受拉變形的基本原理，控制上托板與傳力架之間的相對位置；而上托板與傳力架之間間隔的留取，應依據彈簧的剛度而定；彈簧套筒保證彈簧、傳力桿及下托板之間力傳遞的穩定。

所述量測系統工作原理：當施加力小于設定的臨界值時，力經過大量程力傳感器、小量程力傳感器沿著中軸線傳遞，大量程力傳感器和小量程力傳感器的讀數均為此時施加力的大小，實現大量程力傳感器和小量程力傳感器同時量測荷載值，由小量程力傳感器滿足試驗量測要求的精度；當施加力達到或大于設定臨界值時，全部施加荷載由大量程力傳感器量測，而小量程力傳感器僅測得部分施加力。

本發明基于串聯原理的力量測復合裝置使用情況如下：針對實際工程中需要量測力的特征(大小、作用方向、精度要求)，首先依據擬施加的最大力選擇大量程力傳感器，依據量測精度要求選擇小量程力傳感器，并將選擇好的力傳感器固定在量測復合裝置內；其次，基于測試荷載作用方向布置力量測復合裝置，使荷載通過大量程力傳感器上端，經過傳力桿等傳遞到下托板的底座。在逐級增加荷載的過程中，當施加的力小于臨界荷載值(如小量程力傳感器滿量程的80％)時，荷載通過大量程力傳感器、連接桿、小量程力傳感器、傳力桿、彈簧，再到下托板，命名為共同量測階段；當施加的荷載達到或超過臨界荷載值時，上托板與傳力架接觸，除一部分荷載通過小量程力傳感器外，其余力通過上托板和傳力架傳至下托板及其底座，命名為大量程力傳感器量測階段。在前一階段(共同量測階段)，荷載大小由兩個力傳感器同步單獨量測，而小量程力傳感器測出的荷載值精度更高；在后一階段(大量程力傳感器量測階段)，荷載大小僅由大量程力傳感器單獨量測。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1.本發明裝置既有較高的量測精度(高精度)又有較大的量測荷載值范圍(量程大)；

2.本發明裝置可依據實際量測荷載特征，自由選取具體的力傳感器組合，具有更好的量測精度與范圍；

3.本發明裝置工作原理與制作簡單、造價低廉，操作方便，測試結果精確可靠，實用性強。

附圖說明

圖1為本發明基于串聯原理的力量測復合裝置的結構示意圖。

圖中標號：1、大量程力傳感器；2、小量程力傳感器；3、連接桿；4、傳力桿；5、彈簧；6、彈簧套管；7、上托板；8、下托板；9、傳力架。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

一種基于串聯原理的力量測復合裝置，如圖1所示，該裝置包括連接桿3、傳力桿4、大量程力傳感器1、小量程力傳感器2、上托板7、下托板8、彈簧5、彈簧套管6及傳力架9，大量程力傳感器1與小量程力傳感器2分別設在連接桿3的上端與下端，上托板7設在連接桿3上，位于大量程力傳感器1與小量程力傳感器2之間，大量程力傳感器1、小量程力傳感器2、上托板7三者以串聯形式布置；小量程力傳感器2下端連接傳力桿4，傳力桿4下端連接彈簧5，傳力桿4部分長度和彈簧5設置在彈簧套管6內，彈簧套管6底部固定在下托板8上，彈簧5下端連接到下托板8上，傳力架9設在下托板8外沿，其頂部與上托板7在初始狀態下保持特定的距離，大量程力傳感器1上端、下托板8下端為測量時受力端。

連接桿3與傳力桿4同一直線設置。當裝置沿軸線受到荷載超過臨界值如小量程力傳感器量程的80％后，上托板7與傳力架9接觸并保護小量程力傳感器2。當裝置沿軸線受到荷載不超過臨界值如小量程力傳感器量程的80％時，荷載值將由大量程力傳感器1、小量程力傳感器2同步獨立量測；超過臨界值時，荷載將由大量程力傳感器1單獨量測。

所述小量程力傳感器2底部與彈簧套管6上端保持距離，該距離大于傳力架9頂部到上托板7下底面的距離。

所述連接桿3、傳力桿4為精細加工的高強度金屬空心管。上托板7、傳力架9和下托板8為精細加工的高強度金屬板。所述彈簧套管6為精細加工的高強度金屬空心管。所述彈簧5材質應具有較好的彈性性能，如彈簧鋼材。彈簧5在一定范圍內受荷，其變形與加載值具有較好的線性相關性。彈簧5上端固定在傳力桿4下端，下端固定在下托板8上。

彈簧套管6下部固定在下托板8上，小量程力傳感器2下端連接的傳力桿4部分長度與彈簧5從彈簧套管6上部穿入并連接在下托板8上。

所述大量程力傳感器1、小量程力傳感器2均為當前市場上可購買的力量測元件，或基于應變等原理經過精細加工而制作的力量測元件。

本發明提供的力量測復合裝置可分為傳力系統、控制系統、量測系統三部分，其中連接桿3、傳力桿4、上托板7、下托板8、傳力架9組成傳力系統；彈簧5和彈簧套管6組成基于變形的控制系統，控制系統能準確控制上托板7與傳力架9的接觸，從而達到保護小量程力傳感器2的目的；大量程力傳感器1、小量程力傳感器2組成量測系統。

所述傳力系統工作原理：在施加力小于設定臨界值時，上托板7與傳力架9之間不接觸，力通過連接桿3、傳力桿4、下托板8傳力；當施加力大于設定臨界值后，上托板7與傳力架9相接觸，除部分力通過連接桿3、傳力桿4、下托板8傳遞外，另一部分力通過上托板7、傳力架9、下托板8傳遞。

所述控制系統工作原理：基于彈簧5受壓或受拉變形的基本原理，控制上托板7與傳力架9之間的相對位置；而上托板7與傳力架9之間間隔的留取，應依據彈簧5的剛度而定；彈簧套筒6保證彈簧5、傳力桿4及下托板7之間力傳遞的穩定。

所述量測系統工作原理：當施加力小于設定的臨界值時，力經過大量程力傳感器1、小量程力傳感器2沿著中軸線傳遞，大量程力傳感器1和小量程力傳感器2的讀數均為此時施加力的大小，實現大量程力傳感器1和小量程力傳感器2同時量測荷載值，由小量程力傳感器2滿足試驗量測要求的精度；當施加力達到或大于設定臨界值時，全部施加荷載由大量程力傳感器1量測，而小量程力傳感器2僅測得部分施加力。

本發明基于串聯原理的力量測復合裝置使用情況如下：針對實際工程中需要量測力的特征及要求(如，大小、作用方向、精度要求)，首先依據擬施加的最大力值選擇大量程力傳感器1，依據量測精度要求選擇小量程力傳感器2，并將選擇好的力傳感器固定在量測復合裝置內；其次，基于擬測試力作用方向布置力復合量測裝置，使荷載通過大量程力傳感器1、連接桿3等傳遞到下托板8的底座。在逐級施加力的過程中，當施加的力小于設定的臨界荷載值(如小量程力傳感器滿量程的80％)時，力通過大量程力傳感器1、連接桿3、小量程力傳感器2、傳力桿4、彈簧5，再到下托板8，命名為共同量測階段；當施加的力達到或超過設定的臨界荷載值時，上托板7與傳力架9接觸，除一部分荷載通過小量程力傳感器2外，其余力通過上托板7和傳力架9傳至下托板8，命名為大量程力傳感器1量測階段。在前一階段(共同量測階段)，荷載大小由兩個力傳感器同步單獨量測，而小量程力傳感器2測出的荷載值精度更高；在后一階段(大量程力傳感器1量測階段)，施加力大小僅由大量程力傳感器1單獨量測。

上述對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。