专利名称：一种水下轮辐式力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种力传感器。具体地说是一种即可在陆上又可在水下进行绳锯机切割管道时金刚石锯绳张力在线检测的力传感器。
背景技术：
水下绳锯机是用于海底石油管道维修的设备。该设备主要实现海底石油管道切割作业，为了更有效地完成切割作业，需要配备锯绳张力检测控制系统。通过检测控制系统调整绳锯机的切割径向进给状态，使锯绳在安全的张力范围内进行切割工作。水下传感器设计时具有以下难点问题由于传感器是在一定的海水深度中工作，应该具有良好的水下密封性能；在体积结构方面必须能与绳锯机本体相适应；传感器必须在满足测量准确度达到O. 5%FS要求条件下，具有抗振动、易于安装、耗电小等特点。有关绳张力检测及其传感器的公开报道主要包括1、陈先中，苍大强，魏任之.多绳摩擦提升机钢丝绳张力在线监测传感器.北京科技大学学报.1998(10)，介绍了一种新型矿用多绳摩擦提升机动态张力监测传感器，采用圆平面压力弹性膜作为变极距差动电容信号输出，传感器弹性敏感元件与转换电路集成一体化全封闭设计制造，具有良好的抗振动和抗冲击性能，适用于井下恶劣工作环境。2、靳华伟，张新，吕佳佳.应变式钢丝绳张力传感器的设计.矿山机械.2010(07)，根据多绳提升机钢丝绳动态张力测试的要求，设计了一种用于直接测量钢丝绳动态张力的传感器。该传感器采用了应变式剪切测量原理，具有体积小，测量范围大，便于安装，不改变连接装置结构等特点。3、一种货物绑扎钢丝绳张力监测装置，专利申请号201010268558. X，它包括压电触发模块、张力测量模块和报警通信模块。压电触发模块包括压电陶瓷元件、压电触发主板；压电触发主板包括电源开关电路、信号处理电路和单片机；张力测量模块包括旁压式张力传感器、测量主板；测量主板包括张力输出电路、电源开关电路、显示用数码管；报警通信模块包括通信主板、无线通信单元和报警单元、无线通信用GPRS ;通信主板包括接口电路、比较控制器、安全值调节电路。压电触发主板、测量主板、报警通信模块和电池固定在保护外壳中。外壳固定在旁压式张力传感器上。压电陶瓷元件贴在旁压式张力传感器上，作业时与钢丝绳保持接触。装置通过旁压式张力传感器夹持在钢丝绳上。4、曹立文，丁海娟.金刚石串珠绳张力传感器和性能指标分析.工业计量，2007(09)，介绍了金刚石串珠绳张力传感器的工作原理，并进行了传感器的标定。通过对传感器的性能指标分析，该传感器达到了设计要求，该张力传感器能够准确、可靠地测量出串珠绳张力。由上述文献可得出，文献1-3锯绳张力测定主要是在被测锯绳中串入测力计或测力传感器，还有采用接触式锯绳张力传感器，将锯绳张力信号转换为传感器的压紧力信号及位移信号，由此获得锯绳张力测定值。由于水下绳锯机锯绳切割运动为随带轮回转形式，这些测力传感器无法在锯绳上安装，信号线也不能与外界连接，因此，以上的方法都不能被采用。文献4测量方式是绳锯机在切割过程中串珠绳对导向轮产生压力，此压力传给弹性轴使之产生与张力成比例的应变信号，此张力传感器虽然能够准确地测量出串珠绳张力，但弹性轴强度低，在实际工作中，会出现轴断裂的故障，导致传感器损坏，因而可靠性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种强度高、可靠性好，能够实时检测锯绳张力的水下轮辐式力传感器。本发明的目的是通过如下方案实现的包括用于直接感受被测量的弹性组件、用于力信号处理的转换放大元件；所述弹性组件包括轮圈、轮辐、轮毂、上盖板、下盖板、应变片，所述轮辐由四根弹性剪切梁组成，每根轮辐的两端连接于轮毂与轮圈之间，在四根轮辐的正反面分别贴有应变片，上下盖板分别固定在轮圈上下端，上下盖板与轮圈的接触面处和上下盖板与轮毂的接触面处均加有密封垫圈；所述转换放大元件包括信号数据线、电路板，电路板固定于密封舱中，信号数据线连接与轮辐上应变片与密封舱中电路板之间。本发明还可以包括1、所述轮圈由上轮圈和下轮圈两部分构成，所述轮毂由上轮毂和下轮毂构成，上轮圈与下轮圈以及上轮毂与下轮毂之间由螺栓连接，所述轮辐镶嵌在上下轮毂外侧与上下轮圈内侧之间。2、轮圈与密封舱之间连接有走线管，所述信号数据线布置于走线管中。3、所述密封舱外端部开有外螺纹，端面处有环形密封槽，在密封槽中安有第一 O型密封圈，密封盖开有内螺纹与密封舱实现螺纹连接，通过第一 O型密封圈实现静密封，水密电缆接头通过螺纹连接到密封舱侧壁上用于数据向水下密封控制舱的输出。4、所述走线管的一端与密封舱连成一体，走线管前端开有细牙螺纹，走线管通过前端的细牙螺纹拧进轮圈侧壁开孔处，在走线管端部安有第二 O型密封圈。本发明的水下轮辐式力传感器的特点是强度高、可靠性好，能够实时检测锯绳张力，通过反馈系统控制切割张力保持合理范围内。它可在水陆两栖环境中工作，同时也可应用其它装置中拉力、拖拽力、挤压力等检测。
图1是本发明的外部结构示意图。图2是图1的A-A剖视图。图3a是弹性元件受力示意图，图3b是图3a的俯视图。图4是本发明实施的锯绳检测原理示意图。
具体实施例方式本发明的轮辐式力传感器主要由用于直接感受被测量的弹性组件、用于力信号处理的转换放大元件、用于元件水下密封的密封组件组成。所述弹性组件包括上下轮圈、轮辐、上下轮毂、上盖板、下盖板、各处连接螺栓、密封垫圈、应变片及其连接电线。所述轮辐由四根弹性剪切梁组成，镶嵌在上下轮毂外侧与上下轮圈内侧之间。在四根轮辐的正反面分别贴有应变片，通过应变片反映辐条的变形，从而得到外力的大小。所述上盖板通过连接螺栓固定在上轮圈上端，同样，下盖板也通过连接螺栓固定在下轮圈下端。所述上下轮毂由连接螺栓连接，带动轮辐一起上下运动。所述各元件接触面间均加有密封垫圈实现此传感器弹性组件的密封。所述转换放大元件包括信号数据线、电路板、定位销。所述信号数据线连接轮辐上应变片与密封舱中电路板，电路板通过定位销固定在密封舱中。所述密封组件包括密封舱、密封盖、水密电缆接头、O型密封圈。所述密封舱外端部开有外螺纹，端面处有环形密封槽，在密封槽中安有O型密封圈。所述密封盖开有内螺纹，与密封舱实现螺纹连接，通过密封圈实现静密封。所述水密电缆接头通过螺纹连接到密封舱侧壁上，实现数据向水下密封控制舱的输出。所述转换放大元件与密封元件组合构成封闭电路板腔体，此腔体通过前端开有细牙螺纹的走线管拧进轮圈侧壁开孔处，在端部安有O型密封圈，通过细牙螺纹旋合长度及密封圈实现走线管与轮圈间密封。下面结合图1-图2，详细阐述本发明优选的实施方式。一种水下轮辐式力传感器由上轮圈1、轮辐2、上轮毂3、短连接螺栓4、上轮毂密封圈5、上盖板6、上盖板密封圈7、下轮圈8、长连接螺栓9、下盖板10、下轮毂密封圈11、轮毂连接螺栓12、下轮毂13、下盖板密封圈14、走线管端部密封圈15、走线管16、信号数据线17、定位销18、电路板19、密封舱20、端盖密封圈21、密封盖22组成。上轮圈I上端面通过短连接螺栓4与上盖板6相连接，上轮圈I下端面通过长连接螺栓9将下轮圈8、下盖板10 —起固定。在上轮圈1、下轮圈8内侧上开有环形凹槽，在长连接螺栓9旋合下夹持住4条轮辐2外侧，在轮辐2正反面贴有应变片；同样，上轮毂3与下轮毂13外侧也开有环形凹槽，通过轮毂连接螺栓12将轮辐2内侧夹住，这样，轮毂运动将带动轮辐2上下运动，从而感应出张力信号的大小。在在各元件接触面间均加有密封垫圈，这些元件构成了传感器弹性组件I。通过走线管16将信号线17由轮辐2应变片处引到密封舱20中电路板19上；电路板19通过定位销18固定在密封舱20中，通过水密电缆接头III将信号向外界输出；密封舱20外端部开有外螺纹，端面处有环形密封槽，在密封槽中安有O型密封圈21，密封盖22开有内螺纹，与密封舱20进行螺纹密封连接，构成封闭电路板组合腔体II。电路板组合腔体II通过前端开有细牙螺纹的走线管16拧进下轮圈8侧壁开孔处，连接弹性组件I，在端部安有O型密封圈，通过细牙螺纹旋合长度及密封圈实现走线管16与下轮圈8间密封。结合图3a-图3b，说明本发明工作原理此传感器在安装时有两种形式，一种是轮毂3以中心孔与固定件中轴配合作为基座，轮圈I作为外力F作用件，这样，轮毂3受到大小与外力F相等的对称反力；另一种是轮圈I外壁与固定件中孔配合作为基座，轮毂3作为外力F作用件，同样轮圈I受到大小与外力F相等的对称反力。这种对称反力，使轮辐2产生平行四边形变形，使得贴在四根轮辐2正反面的应变片产生相应变形，转换成电阻变化量，通过桥式平衡电路将电阻变化量转化成电桥的输出电压AU，此电压信号AU经处理及放大，就可以反应出外力的大小。结合图4，说明本发明在水下绳锯机锯绳张力实时检测的实施方式
水下绳锯机锯绳张力传感器设计参数为①量程0 10000N ;②满量程输出5±0.1VDC 准确度±0. 05%FS ;④零点漂移0. 02%FS ;⑤热零点漂移0. 02%FS/°C ;⑥允许过载120% ;⑦工作温度-40 85 °C ;⑧频响S 5KHz。水下绳锯机锯绳张力检测系统的机械结构由丝杠锁紧螺母31、横端板32、前端连接螺栓33、侧导轨立板34、力传感器35、推力轴承36、丝杠37、后端连接螺栓38、基座39、丝杠螺母40、导轨41、导向轮轴42、导向轮43、锯绳44组成。力传感器35安装在丝杠37上，为第一种安装方式，具体是轮毂3以中心孔与固定件丝杠37配合，为使受力均匀在轮毂3后端安有推力轴承36，丝杠37与丝杠螺母40为梯形螺纹配合，丝杠螺母40上端为销轴形式插入基座39孔中固定，基座39通过四个连接孔a与机架螺栓固定连接，因此，丝杠螺母40静止不动，同时，丝杠37在旋动调定张力后由丝杠锁紧螺母31锁位，这样，在切割时丝杠37是不动的，即轮毂3不动；而轮圈I由横端板32端部固定，横端板32通过螺栓33与两侧导轨立板34连接，锯绳44绕过导向轮43，导向轮轴42与两侧导轨41销轴连接，在基座39与两侧导轨41上开有相配合燕尾槽，两侧导轨立板34可沿基座39横向移动，这样，锯绳44张力合力将通过导向轮轴42、两侧导轨立板34传递至横端板32上，即轮圈I将受 到外力F作用。水下绳锯机锯绳张力检测原理是在绳锯机切割管道时，锯绳44张力合力实时作用在横端板32上，横端板32压在力传感器35的轮圈I上，在静止部件轮毂3将受到大小与外力F相等的对称反力，此对称力使轮辐2产生平行四边形变形，使得贴在四根轮辐正反面的应变片产生相应变形，经信号处理及放大，就可以在线反应出外力F，即锯绳张力的大小，因而，实现了锯绳张紧力的在线实时检测。
权利要求
1.一种水下轮辐式力传感器，包括用于直接感受被测量的弹性组件、用于力信号处理的转换放大元件；其特征是所述弹性组件包括轮圈、轮辐、轮毂、上盖板、下盖板、应变片，所述轮辐由四根弹性剪切梁组成，每根轮辐的两端连接于轮毂与轮圈之间，在四根轮辐的正反面分别贴有应变片，上下盖板分别固定在轮圈上下端，上下盖板与轮圈的接触面处和上下盖板与轮毂的接触面处均加有密封垫圈；所述转换放大元件包括信号数据线、电路板，电路板固定于密封舱中，信号数据线连接与轮辐上应变片与密封舱中电路板之间。
2.根据权利要求1所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述轮圈由上轮圈和下轮圈两部分构成，所述轮毂由上轮毂和下轮毂构成，上轮圈与下轮圈以及上轮毂与下轮毂之间由螺栓连接，所述轮辐镶嵌在上下轮毂外侧与上下轮圈内侧之间。
3.根据权利要求1或2所述的水下轮辐式力传感器，其特征是轮圈与密封舱之间连接有走线管，所述信号数据线布置于走线管中。
4.根据权利要求1或2所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述密封舱外端部开有外螺纹，端面处有环形密封槽，在密封槽中安有第一 O型密封圈，密封盖开有内螺纹与密封舱实现螺纹连接，通过第一 O型密封圈实现静密封，水密电缆接头通过螺纹连接到密封舱侧壁上用于数据向水下密封控制舱的输出。
5.根据权利要求3所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述密封舱外端部开有外螺纹，端面处有环形密封槽，在密封槽中安有第一 O型密封圈，密封盖开有内螺纹与密封舱实现螺纹连接，通过第一 O型密封圈实现静密封，水密电缆接头通过螺纹连接到密封舱侧壁上用于数据向水下密封控制舱的输出。
6.根据权利要求1或2所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述走线管的一端与密封舱连成一体，走线管前端开有细牙螺纹，走线管通过前端的细牙螺纹拧进轮圈侧壁开孔处，在走线管端部安有第二 O型密封圈。
7.根据权利要求3所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述走线管的一端与密封舱连成一体，走线管前端开有细牙螺纹，走线管通过前端的细牙螺纹拧进轮圈侧壁开孔处，在走线管端部安有第二 O型密封圈。
8.根据权利要求4所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述走线管的一端与密封舱连成一体，走线管前端开有细牙螺纹，走线管通过前端的细牙螺纹拧进轮圈侧壁开孔处，在走线管端部安有第二 O型密封圈。
9.根据权利要求5所述的水下轮辐式力传感器，其特征是所述走线管的一端与密封舱连成一体，走线管前端开有细牙螺纹，走线管通过前端的细牙螺纹拧进轮圈侧壁开孔处，在走线管端部安有第二 O型密封圈。
全文摘要
本发明提供的是一种水下轮辐式力传感器。包括用于直接感受被测量的弹性组件、用于力信号处理的转换放大元件；所述弹性组件包括轮圈、轮辐、轮毂、上盖板、下盖板、应变片，所述轮辐由四根弹性剪切梁组成，每根轮辐的两端连接于轮毂与轮圈之间，在四根轮辐的正反面分别贴有应变片，上下盖板分别固定在轮圈上下端，上下盖板与轮圈的接触面处和上下盖板与轮毂的接触面处均加有密封垫圈；所述转换放大元件包括信号数据线、电路板，电路板固定于密封舱中，信号数据线连接与轮辐上应变片与密封舱中电路板之间。本发明强度高、可靠性好，能够实时检测锯绳张力。它可在水陆两栖环境中工作，同时也可应用其它装置中拉力、拖拽力、挤压力等检测。
文档编号G01L5/10GK103017967SQ20121051939
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月6日 优先权日2012年12月6日
发明者王茁, 张波, 李艳杰, 刘风坤, 张毅治, 田忠锋, 张真, 郭石宇 申请人:哈尔滨工程大学