一种垫片式传感器的制作方法

1.本实用新型属于传感器技术领域，涉及垫片式传感器，尤其是指适用于检测螺栓预紧力的垫片传感器。


背景技术：

2.风力发电、石油化工等大型工程装备中，需要（同时）使用较多大号螺栓紧固件，施工中紧固的扭矩参数可以通过液压扭矩扳手等工具来保障。但是，实际的螺栓旋紧扭矩与拉伸紧固力并不一定是一致的，且后者常更具有可信性。
3.以垫片式传感器直接检测螺杆在紧固中的拉伸受力，可以支持紧固施工中标准规范的推行，也可使得相关装备常规运行中对紧固力的组网监测成为可能。
4.大型装备中的螺栓拉伸力往往在数百、数千吨级，装备安装时各点位的螺栓预紧力需要满足一定安装施工要求，而安装以后又需要进行持续的检测和维护。这对传感器和配套应用技术提出了更严苛和复杂的要求。
5.现有的垫片式传感器有采用电阻、电感、声波等各种原理技术设计的，其中，采用电阻应变片的垫片传感器因在结构力学、方案成本、应用可靠性、可维护及耐久性等方面，都更具优势，成为垫片式传感器的主流选择，本实用新型采用了电阻应变片半桥采集垫片上承载的压力信号。
6.电阻应变片压力传感器的工作原理是：将应变片贴在受压变形的结构处，并将应变片与标准电阻并联组成平衡电桥，当贴有应变片的结构处受压变形，应变随之被拉伸或压缩，电桥失去平衡，电桥电路输出与压力成一定关系的电压。
7.按结构形式来分，采用电阻应变片原理的压力传感器主要有剪切梁式、弹性管柱式两种。剪切梁式结构因其在压力方向上占用空间相对较小，在用于螺栓预紧力检测的垫片式传感器中被选用得较多。但是剪切梁结构承重能力差，剪切梁结构的垫片传感器不适用于桥梁、风力发电等电型工程中所使用的预紧力上吨级的螺栓。
8.对于弹性管柱式的垫片式压力传感器来说，其压力检测性能的优劣，决定于贴有应变片的弹性管柱在承压时的变形量与所承受压力之间的线性对应关系（例如：压力x时，变形量为l，当压力增加到2x，变形量为2l），因此为了避免传感器的其它部件（壳体、内部结构件等）影响弹性管柱的变形量，现有管柱式的垫片传感器，一般设计为管柱上端（承压端）相对于其它部件自由活动，下端与壳体固定连接（壳体对管柱具有支撑作用）的结构，这种结构特点存在结构复杂、加工难度大，或者加工成本高，或者装配过程复杂装配效率低等问题。
9.具体地：如果管柱与壳体或壳体的一部分一体成型，则该一体成型部件因为结构上的复杂性（至少具有半包围的空腔），决定它的加工（金属冲压成型、塑料注塑成型）难度较大，加工成本高。
10.如果管柱与壳体为分体结构，两个部件单独加工，相对于一体成型来说，加工难度有所降低，但是需要一方面保持承压端自由活动，并将另一端通过可靠的固定装配结构与
壳体装配在一起。两者间的可靠的固定装配结构的加工不仅影响零部件的加工成本，也影响着零部件的加工效率。不利于降低传感器成本（传感器的成本等于零部件的成本叠加装配成本），提高传感器的生产效率。
11.此外，现有的垫片式传感器为了避免螺母压到壳体部分影响测量精度，通常设置为管柱上端高出传感器上端面一段距离，高出传感器上端面的这一段长度，由于露在壳体外部，不能用于贴应变片。所以在贴应变片的管柱长度不变的情况下，官柱上端高出传感器上端面的一段长度增加了传感器的最大厚度，越大的垫片厚度，越影响螺栓的紧固效果。而且，管柱越长，制造传感器所需的材料越多；同时，也越不利于传感器的结构稳定性。


技术实现要素：

12.本实用新型目的在于针对螺栓预紧力检测监测需要，提供一种结构简单、成本更低、精度更高的垫片式传感器。
13.本实用新型采用的技术方案是：一种垫片式传感器，包括弹性管柱体、测量电路、橡胶环；所述弹性管柱体的中间为通孔，所述橡胶环套装在弹性管柱体上，所述测量电路设置在橡胶环与弹性管柱体之间，所述测量电路包括由应变片和标准电阻组成的测量电桥，所述应变片顺轴向方向粘贴在弹性管柱体外侧面上。
14.本实用新型的垫片式传感器，不设置硬质壳体，取而代之的是设置一橡胶环用来保护测量电桥等传感器内部元件，同时也构成传感器的外部支撑。一方面，由于橡胶环为柔软的弹性部件，即使橡胶环与弹性管柱体的上端有所连接，对管柱的变形量的影响也很微小，基本可以忽略不计，不会影响测量精度，因此，可以不必把传感器设计成管柱体上端设计成凸出一截的传统形式，从而把传感器厚度做得更小，更省材料也更加稳固；也同样因此，在设计橡胶环与管柱的连接结构时，不需要考虑橡胶环对管柱体变形量的影响，可以单纯从橡胶环如何更好的安装在管柱上的角度出发，设计出结构最简单、装配最方便、成本最低的方案。另一方面，由于橡胶环的柔软弹性，可以很容易地套装在弹性管柱体上，所以橡胶环与管柱的相互装配难度低、装配成本低、装配效率高。
15.进一步地，所述弹性管柱体的上端和下端分别设有径向向外扩展的凸环，用以固定橡胶环。
16.作为一种选择，所述凸环外径，大于螺帽圆压面外径，所述弹性管柱的外径介于螺母或螺帽的圆压面外径和内径之间。
17.进一步地，所述橡胶环的外径小于或等于所述凸环的外径。所述橡胶环整体嵌在弹性管柱体内。
18.作为另一种选择，所述凸环外径，小于螺帽圆压面外径，所述弹性管柱的外径介于螺母或螺帽的圆压面外径和内径之间。
19.进一步地：橡胶环的顶面与弹性管柱的顶面齐平。
20.橡胶环对螺母的支撑力，相对于管柱承受的压力来说，很微小，可以忽略不计，因此可以实现平整的顶面，有效防止螺母倾斜。
21.作为第三种选择，所述弹性管柱体下端的凸环外径和橡胶环相等，构成传感器下端面；弹性管柱体上端的凸环外径小于橡胶环外径，橡胶环的顶面与弹性管柱的顶面齐平并共同构成传感器上端面。
22.进一步地，所述应变片在传感器弹性管柱体外周按90
°
间隔贴4片或45
°
间隔贴8片，连入测量电桥的两个桥臂，另外两个桥臂配备等值的标准电阻，构成测量半桥从而采集垫片轴向应变信号。
23.进一步地，测量电路中应变片以外的元件嵌装在橡胶环内侧设有的凹槽内。
24.本实用新型垫片式传感器在与螺栓螺帽的尺寸配合、与专用旋紧工具套的尺寸配合上，都有特定的比例要求。特别地，安装中只有在螺栓螺帽与垫片传感器保证一定的同轴度，并保证螺帽接触面传递压力给传感器上全管柱面（可不包含径向凸出部分）时，才可保证传感器数据采集的一定精度。
附图说明
25.图1本实用新型所述一种采用橡胶环的垫片式传感器的示意图
26.图2为垫片式传感的测量电路示意图。
27.图3为本实用新型与一种现有的垫片式传感器的对比图。
28.图4为采用结构一的垫片式传感器的示意图。
29.图5为图4的垫片式传感器的剖视图。
30.图6为采用结构二的垫片式传感器的示意图。
31.图7为图6的垫片式传感器的剖视图。
32.图8为采用结构三的垫片式传感器的剖面示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图以及具体场景中的实施应用进一步对本实用新型进行说明。
34.参照图1，本实用新型的垫片式传感器，包括弹性管柱体11、测量电路、橡胶环12；所述弹性管柱体11的中间为通孔，所述橡胶环12套装在弹性管柱体上，所述测量电路设置在橡胶环12与弹性管柱体11之间，所述测量电路包括由应变片和标准电阻组成的测量电桥，所述应变片顺轴向方向粘贴在弹性管柱体外侧面上。弹性管柱体11的上端和下端分别设有径向向外扩展的凸环，用以固定橡胶环12。橡胶环12外侧设有与测量电路相连的usbtype
‑
c接口121，配套的外部设备可通过该接口与传感器直接相连，进行外部供电、信号/数据传输。
35.图2所示为垫片式传感的内部测量电路。所述应变片有四个，绕弹性管柱体外周间隔90
°
设置，平分成两组各自串联后总阻值分别记为r1和r3，连入测量电桥相对的两个桥臂，另外两个桥臂配备等值的标准电阻r2和r4，构成测量半桥电路从而采集垫片轴向应变信号。
36.该垫片式传感器所有部件材料及贴装按照耐高温要求设计，其中弹性管柱体11采用高强度合金材料，以适应较大的工作受力。
37.参照图3，将本实用新型的垫片式传感器1和一种现有的垫片式传感器2进行对比。传感器2的管柱体21与壳体22分体加工，元器件设在壳体22内，管柱体21上端面有一段高出壳体，以避免螺母压到硬质壳体22上盖面而令测量值不准。管柱体21与壳体22仅在a处一圈固定连接。壳体22为截面为u形的圆环，加工较为复杂，而两个零件分别加工再连接装配起来，工序也较繁琐。本实用新型则只需加工结构较为简单的管柱体与橡胶圈，再将橡胶圈套
在管柱体上即可，无需额外固定手段。
38.此外，壳体22与管柱体21在a处不论通过焊接或卡扣装配，都需要一定长度的互相接触才能保证必要的牢固度，则该段长度（距离d与壳体下端厚度之和）的管柱体不能用于测量贴应变片，同样管柱体上端凸出壳体上盖面的区段d也不能贴应变片，因而现有垫片式传感器实际可以用于粘贴应变片的最大长度为h，相比于本实用新型，在相等的应变片测量区段长度h下，管柱体将多d+d的长度。因而本实用新型的垫片式传感器的管柱体11可以做到更短，节省了材料成本，同时更小的厚度也令传感器稳定性更好，应用场景更广。
39.垫片传感器的弹性管柱体11和橡胶环12的具体设置关系有三种选择：
40.结构一
41.参照图4和图5，弹性管柱体11上下端两凸环的外径等于橡胶环12的外径，橡胶环12完全嵌装在上下凸环之间。
42.结构二
43.参照图6和图7，弹性管柱体11上下端两凸环的外径小于橡胶环12的外径，橡胶环12的两端面与弹性管柱体11两端面齐平。
44.结构三
45.参照图8的剖面示意图，弹性管柱体11下端凸环的外径和橡胶环12相等，弹性管柱体11上端的凸环的外径小于橡胶环12，橡胶环12的上端面与弹性管柱体11上端面齐平。
46.要说明的是，上述具体实施方式描述仅是本实用新型技术方案的一部分实施形式，根据本实用新型公开的内容，按类似的设计与思路实施其他未展开说明的方面、方案，或进行重组，同样在本实用新型保护范围之内。