穿轴式张力传感器的制作方法

本发明涉及一种穿轴式张力传感器。

背景技术：

目前，现有的差动变压器式张力传感器，其工作原理是：把铁芯插到线圈中，通过导辊和轴承座向传感器施加向下的压力，从而使铁芯在线圈中产生位移量，输出一个电压信号。这种传感器存在的缺点是：精度差、稳定性不好、长期使用寿命短、维修成本高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种穿轴式张力传感器，本传感器具有精度高、稳定性好、使用寿命长的优点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种穿轴式张力传感器，它包括外壳、轴承架、调心轴承、应变梁、控制电路、输出接口、内侧板、外侧板；

轴承架位于外壳内且两者之间留有间隙，调心轴承设在轴承架内，调心轴承的外圈和轴承架之间过盈配合；

轴承架外设有相互对称且向外延伸的两个凸块，外壳内在位置上对应于两个凸块处开有两个分别与两个凸块相适配的卡槽，任一凸块伸进同侧的对应卡槽内且与该卡槽之间留有间隙；

两个凸块的宽度方向中心线的连线与轴承架的圆心处于一平面内，应变梁的宽度方向中心线与轴承架的圆心处于另一平面内，所述的两个平面相垂直；

内侧板、外侧板分别设置在外壳的轴向两侧，内侧板的中部区域开有供穿轴贯穿的穿孔，输出接口设在外壳的外部且与外壳的内部相通；

控制电路包括电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3、电阻应变片R4，控制电路的电源线、输出信号线铺设在外壳内且与输出接口相连；

本传感器在安装时，穿轴贯穿内侧板的穿孔后与调心轴承的内圈同轴连接，且穿轴和调心轴承的内圈之间过盈配合，内侧板靠近穿轴的中部，外侧板远离穿轴的中部；

应变梁的个数为一个且其沿轴承架径向的截面形状为长方形，应变梁的一端与轴承架相连、另一端与外壳相连，应变梁宽度方向的一个侧面上贴有电阻应变片R1、电阻应变片R2，应变梁宽度方向的另一个侧面上贴有电阻应变片R4、电阻应变片R3，且电阻应变片R1、电阻应变片R2与电阻应变片R4、电阻应变片R3呈相互对称的布置方式；

凸块沿轴承架径向的截面形状为等腰梯形、大半圆形、半个腰圆形、半个椭圆形中的任一种；

卡槽的截面形状和规格，足以使得其与所述的任一种凸块相适配；

控制电路还包括零点温度补偿电阻R_t、零点输出补偿电阻R_z、输入一致性补偿电阻R_i及两组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b；零点温度补偿电阻R_t、电阻应变片R1、电阻应变片R2、零点输出补偿电阻R_z串联，电阻应变片R4、电阻应变片R3串联，它们再并联构成惠斯通电桥，并联的两端(A，C)为惠斯通电桥的输入端；A端与一组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b的一端相接，C端与另一组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b的一端相接，输入一致性补偿电阻R_i的两端跨接在两组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b的另一端；电阻应变片R1、电阻应变片R2的连接点为B端，电阻应变片R4、电阻应变片R3的连接点为D端，B端、D端为惠斯通电桥的输出端。

为简单说明问题起见，以下对本发明所述的穿轴式张力传感器均简称为本传感器。

所述应变梁的个数为一个且为平板形的受力载荷体，该应变梁分别与轴承架、外壳相连，使得本传感器的结构简单。

所述穿轴俗称测力辊，该穿轴为本传感器使用时的辅助设备，确保片带材料的压力完全作用于本传感器。应变梁的宽度方向中心线在走向上与该穿轴的受力方向相一致，两个凸块的宽度方向中心线的连线在走向上则与应变梁的宽度方向中心线在走向上相垂直。

在本传感器的使用过程中，应变梁受载荷作用发生形变，内侧板、外侧板可保护应变梁不受外部干涉。该应变梁上的电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3、电阻应变片R4对压力和拉力都有同等感应。控制电路的电源线、输出信号线与输出接口的管脚相连，输出接口再与电源、信号输出装置电连接。本传感器未使用时，控制电路中的惠斯通电桥处于平衡状态；但，当调心轴承受力产生微小位移时，带动应变梁形变，电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3、电阻应变片R4的阻值发生变化，此时，惠斯通电桥失去平衡而输出差额电压，本传感器输出电压信号。

使用时，穿轴受到张力作用。因穿轴和调心轴承的内圈之间过盈配合，穿轴会把张力直接传递给调心轴承的内圈；又因调心轴承的外圈和轴承架之间过盈配合(这样，可减小调心轴承外圈的晃动，消除两者因间隙摩擦导致的负面影响，避免所述两者的损坏)，通过调心轴承的外圈，将张力准确、直接地作用于轴承架，使得应变梁沿其宽度方向中心线产生微小形变(应变梁受拉力或压力作用)，本传感器输出电压信号，实现张力的测量。如果本传感器的受力超过其设计额定载荷，两个凸块就会刚性接触到外壳，对应变梁进行卸载、限制应变梁的进一步形变，从而对应变梁发挥过载保护的功能。

众所周知，惠斯通电桥中出现的零点温度漂移现象，其原因在于四个桥臂的电阻应变片R1至R4的电阻温度系数不一致，如果能让四个桥臂的电阻应变片R1至R4的电阻温度系数一致或较为接近，就可消除或最大限度减小零点温度漂移现象。

零点温度补偿电阻R_t、零点输出补偿电阻R_z的电阻温度系数较大，让零点温度补偿电阻R_t、电阻应变片R1串联，让电阻应变片R2、零点输出补偿电阻R_z串联，且零点温度补偿电阻R_t、零点输出补偿电阻R_z的电阻值较为合适，这样，可提高这两个桥臂总的电阻温度系数，并确保四个桥臂的电阻温度系数一致或接近，从而抵消零点温度漂移现象的负面影响，达到零点温度补偿的目的。

本传感器的控制电路中设有包括电阻应变片R1至R4的惠斯通电桥，再通过零点温度补偿电阻R_t、零点输出补偿电阻R_z、输入一致性补偿电阻R_i、灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b进行补偿，组成了一个精度高、稳定性好的控制电路。

这样，本传感器不会受到环境温度等外在因素的影响而能够正常使用，且每个本传感器的输入电阻值、输出信号一样，保证了本传感器的测量精度及稳定性。

另外，当本传感器成对使用时，其互换性较好。

综上所述，本传感器具有精度高、稳定性好、使用寿命长的优点。

所述凸块、应变梁沿轴承架的轴向厚度相同；

对于凸块沿轴承架径向的截面形状为等腰梯形而言，设定等腰梯形远离轴承架的那一底边的宽度为L1，设定等腰梯形与轴承架相接的那一底边的宽度为L2，L1＞L2，且所述的两个底边相平行，等腰梯形的径向延伸长度与应变梁的径向延伸长度的比值为(0.5—0.7)∶1，L1与应变梁的宽度的比值为(2.4—2.6)∶1，L2与应变梁的宽度的比值为(1.5—1.7)∶1；

对于凸块沿轴承架径向的截面形状为大半圆形而言，大半圆形的圆柱面呈外伸的状态，大半圆形的径向延伸长度与应变梁的径向延伸长度的比值为(0.5—0.7)∶1，大半圆形的宽度与应变梁的宽度的比值为(3.1—3.3)∶1；

对于凸块沿轴承架径向的截面形状为半个腰圆形而言，半个腰圆形的圆柱面呈外伸的状态，半个腰圆形的径向延伸长度与应变梁的径向延伸长度的比值为(0.8—1)∶1，半个腰圆形的宽度与应变梁的宽度的比值为(3.1—3.3)∶1；

对于凸块沿轴承架径向的截面形状为半个椭圆形而言，半个椭圆形的曲面呈外伸的状态，半个椭圆形的径向延伸长度与应变梁的径向延伸长度的比值为(0.7—0.9)∶1，半个椭圆形的宽度与应变梁的宽度的比值为(3.1—3.3)∶1。

上述凸块沿轴承架径向的不同截面形状及相对应的规格(凸块的轴向厚度、径向延伸长度、宽度)，确保了凸块的强度，这样，当本传感器的受力超过其设计额定载荷时，凸块能够对应变梁有效发挥过载保护的功能。

所述调心轴承采用双列万向调心轴承，轴承架的轴向每侧均设有一个调心轴承的档圈。双列万向调心轴承的优点：滚动摩擦阻力小、启动阻力小、轴向尺寸紧凑、润滑维护简便、传动效率高。档圈的设置，可有效防止调心轴承出现轴向窜动，限定调心轴承的轴向位置。

所述外侧板为中部区域呈封闭状的平板。

这样，外侧板的中部区域没有开孔，可有效防止外界灰尘经外侧板进入本传感器内，使得本传感器能够适用于粉尘较为严重的环境中。

所述输出接口设在外壳外部的位置与应变梁的位置相正对，外壳内粘贴若干用来对控制电路的电源线、输出信号线进行定位的单面胶带，输出接口外套有带连接线的护套。

输出接口的上述位置，使得控制电路与输出接口之间留有恰当长度的电线布置距离，确保控制电路的持续、正常使用；单面胶带，可对电源线、输出信号线起到固定作用，确保电源线、输出信号线在外壳内的位置固定，不会在本传感器的使用过程中出现断裂现象；护套，可对输出接口起到保护作用。

所述电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3、电阻应变片R4均采用高精度金属箔电阻应变计。高精度金属箔电阻应变计的优点：厚度薄，能较好的反映金属结构表面的变形，因而使得本传感器的测量精度较高。

本传感器可用于吹膜机、印刷机、纺织印染机、涂布机、分切机、干复机、真空镀膜机及各种宽幅材料等的卷取控制设备和生产线上，实现对材料张力值的精确测量。

附图说明

图1为本传感器第一实施例的结构示意图(未示出内侧板和外侧板)。

图2是图1的E-E剖视图。

图3是本传感器第一实施例的使用状态示意图。

图4是本传感器第一实施例中的控制电路的电路原理图。

图5为本传感器第二实施例的结构示意图。

图6为本传感器第三实施例的结构示意图。

图7为本传感器第四实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作具体描述：

第一实施例

参见图1—图4，本传感器包括外壳1、圆形的轴承架2、调心轴承3、一个应变梁4、控制电路、输出接口5、内侧板7、外侧板8。

外壳1由圆形的内圈1c、外圈1b共轴线内外连接而成，内圈1c的轴向厚度小于外圈1b的轴向厚度，且内圈1c位于外圈1b轴向的中间区域，内圈1c和外圈1b之间的轴向两侧形成两个凹进1f，两个凹进1f为外壳1的内部。

轴承架2共轴线地位于内圈1c内且两者之间留有间隙，所述间隙为3～5mm，轴承架2的轴向厚度介于内圈1c的轴向厚度和外圈1b的轴向厚度之间，调心轴承3设在轴承架2内且两者共轴线，调心轴承3的外圈和轴承架2之间过盈配合，调心轴承3采用双列万向调心轴承，轴承架2的轴向每侧均设有一个调心轴承3的档圈3a。

轴承架2外设有左右相互对称且向外延伸的两个同规格凸块6，内圈1c内在位置上对应于两个凸块6处开有两个分别与两个凸块6相适配的卡槽1a，任一凸块6伸进同侧的对应卡槽1a内且与该卡槽1a之间留有间隙，所述间隙为1～2mm。

凸块6沿轴承架2径向的截面形状为等腰梯形。对于凸块6沿轴承架2径向的截面形状为等腰梯形而言，设定等腰梯形远离轴承架2的那一底边的宽度为L1，设定等腰梯形与轴承架2相接的那一底边的宽度为L2，L1＞L2，且所述的两个底边相平行，等腰梯形的径向延伸长度(即等腰梯形的高度)与应变梁4的径向延伸长度的比值为(0.5—0.7)∶1，L1与应变梁4的宽度的比值为(2.4—2.6)∶1，L2与应变梁4的宽度的比值为(1.5—1.7)∶1。卡槽1a的截面形状和规格，足以使得其与所述的凸块6相适配。

应变梁4的一端与轴承架2相连、另一端与内圈1c相连，内圈1c在位置上对应于应变梁4处开有一个供应变梁4伸入的U形豁口1d，豁口1d的径向深度小于内圈1c的径向尺寸，应变梁4沿轴承架2径向的截面形状为长方形。

两个凸块6的宽度方向中心线与轴承架2的圆心处于一平面内，应变梁4的宽度方向中心线与轴承架2的圆心处于另一平面内，所述的两个平面相垂直。

凸块6、应变梁4、内圈1c沿轴承架2的轴向厚度相同。

应变梁4宽度方向的右侧面上靠近内圈1c处粘贴有电阻应变片R1、电阻应变片R2，应变梁4宽度方向的左侧面上靠近内圈1c处粘贴有电阻应变片R4、电阻应变片R3，且电阻应变片R1、电阻应变片R2与电阻应变片R4、电阻应变片R3呈相互对称的布置方式。

控制电路包括电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3、电阻应变片R4、零点温度补偿电阻R_t、零点输出补偿电阻R_z、输入一致性补偿电阻R_i及两组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b。

零点温度补偿电阻R_t、电阻应变片R1、电阻应变片R2、零点输出补偿电阻R_z串联，电阻应变片R4、电阻应变片R3串联，它们再并联构成惠斯通电桥，并联的两端(A，C)为惠斯通电桥的输入端；A端与一组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b的一端相接，C端与另一组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b的一端相接，输入一致性补偿电阻R_i的两端跨接在两组并联的灵敏度输出补偿电阻RL、灵敏度温度补偿电阻R_b的另一端；电阻应变片R1、电阻应变片R2的连接点为B端，电阻应变片R4、电阻应变片R3的连接点为D端，B端、D端为惠斯通电桥的输出端。所述电阻应变片R1、电阻应变片R2、电阻应变片R3、电阻应变片R4均采用高精度金属箔电阻应变计。

输出接口5设在外圈1b的外部且通过开设在内圈1c和外圈1b连接处的倒置T形孔1e与两个凹进1f相通，倒置T形孔1e中的下水平孔沿内圈1c的轴向贯穿内圈1c，倒置T形孔1e中的上竖直孔沿外圈1b的径向贯穿外圈1b且与所述的下水平孔相通，输出接口5设在外圈1b外部的位置与应变梁4的位置相正对，输出接口5外套有带连接线的护套5a。

控制电路的电源线、输出信号线铺设在任一凹进1f内且经倒置T形孔1e与输出接口5相连，该凹进1f内粘贴若干用来对控制电路的电源线、输出信号线进行定位的单面胶带(图1—图4中未示出所述的电源线、输出信号线、单面胶带)。

内侧板7、外侧板8分别设置在两个凹进1f中，内侧板7的中部区域开有供穿轴9贯穿的穿孔7a，外侧板8为中部区域呈封闭状的平板。

本传感器在安装时，穿轴9贯穿内侧板7的穿孔7a后与调心轴承3的内圈同轴连接，且穿轴9和调心轴承3的内圈之间过盈配合，内侧板7靠近穿轴9的中部，外侧板8远离穿轴9的中部。

另，外壳1、轴承架2、应变梁4、两个凸块6、内侧板7、外侧板8的材料采用优质沉淀硬化不锈钢(0Cr17Ni4Cu4Nb)或合金钢40CrNiMoA，高精度金属箔电阻应变计的生产、供应商为中航电测仪器股份有限公司，内圈1c上沿轴向还开有贯通的四个减重孔、两个螺纹孔(图1中未示出减重孔、螺纹孔的件号)，内侧板7、外侧板8上也开有相应的通孔(图2中未示出所述通孔)。

第二实施例

参见图5，与第一实施例相比，第二实施例仅凸块6沿轴承架2径向的截面形状有所不同。

对于凸块6沿轴承架2径向的截面形状为大半圆形而言，大半圆形的圆柱面呈外伸的状态，大半圆形的径向延伸长度与应变梁4的径向延伸长度的比值为(0.5—0.7)∶1，大半圆形的宽度与应变梁4的宽度的比值为(3.1—3.3)∶1。

第三实施例

参见图6，与第一实施例相比，第三实施例仅凸块6沿轴承架2径向的截面形状有所不同。

对于凸块6沿轴承架2径向的截面形状为半个腰圆形而言，半个腰圆形的圆柱面呈外伸的状态，半个腰圆形的径向延伸长度与应变梁4的径向延伸长度的比值为(0.8—1)∶1，半个腰圆形的宽度与应变梁4的宽度的比值为(3.1—3.3)∶1。

第四实施例

参见图7，与第一实施例相比，第四实施例仅凸块6沿轴承架2径向的截面形状有所不同。

对于凸块6沿轴承架2径向的截面形状为半个椭圆形而言，半个椭圆形的曲面呈外伸的状态，半个椭圆形的径向延伸长度(为半个椭圆形的长轴方向)与应变梁4的径向延伸长度的比值为(0.7—0.9)∶1，半个椭圆形的宽度(为半个椭圆形的短轴方向)与应变梁4的宽度的比值为(3.1—3.3)∶1。

以上所述仅为本发明的四种实施方式，并非对本发明的限制，凡是利用本发明的设计思路及原理所作的等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。比如：

凸块沿轴承架径向的截面形状还可为半个圆形、小半腰圆形中的任一种；

对于凸块沿轴承架径向的截面形状为半个圆形而言，半个圆形的圆柱面呈外伸的状态，半个圆形的径向延伸长度与应变梁的径向延伸长度的比值为(0.3—0.45)∶1，半个圆形的宽度与应变梁的宽度的比值为(2.7—2.9)∶1；

对于凸块沿轴承架径向的截面形状为小半腰圆形而言，小半腰圆形的圆柱面呈外伸的状态，小半腰圆形的径向延伸长度与应变梁的径向延伸长度的比值为(0.5—0.65)∶1，小半腰圆形的宽度与应变梁的宽度的比值为(2.7—2.9)∶1。