專利名稱：一種軸銷式力傳感器及檢測軸銷所承受徑向力的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，更具體地說涉及一種軸銷式力傳感器及檢測軸銷所承受徑向力的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的測試軸銷受力的方法是把機械裝置中的軸和銷改造成為應變式測力傳感器(即軸銷式傳感器)。根據(jù)不同用途，方便地安裝在兩結(jié)構(gòu)聯(lián)接處，既能起到替代原有軸銷的功能，又能起到測力傳感器的作用，從而使整個測力系統(tǒng)的機械部件大大簡化。這種方法能把該裝置系統(tǒng)許多困難的測力問題變得極為簡單，而又不需要改變結(jié)構(gòu)和增加零件。軸銷式傳感器體現(xiàn)了電子衡器小型化、模塊化、集成化、智能化的發(fā)展方向，是將承載器和傳感器合二為一的一種集成結(jié)構(gòu)，是測量軸承、滑輪等構(gòu)件的徑向載荷的專用傳感器。因此，軸銷式傳感器在機械行業(yè)有著廣泛的應用。傳統(tǒng)的軸銷式傳感器，雙剪型電阻應變計粘貼在軸銷的一個方向位置上，通過成惠斯通電橋進行測量，通過簡單的力學公式計算獲得徑向力大小。因此，傳統(tǒng)的軸銷式傳感器，只能檢測單方向徑向力，無法檢測變方向徑向力。也就是說，當軸銷式傳感器設計后，軸銷式傳感器只能檢測一個方向的徑向力，其它方向的徑向力檢測結(jié)果誤差很大。因此，傳統(tǒng)的軸銷式傳感器，對于變方向載荷的測量卻無能為力，對于徑向力的方向測量也無能為力。在工程機械工作過程中總是承受多方向復雜的隨機載荷。因此，傳統(tǒng)的軸銷式傳感器在工程機械測力方面的應用受到了極大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提出一種軸銷式力傳感器及檢測軸銷所承受徑向力的方法，以解決檢測軸銷所承受多方向復雜的隨機徑向力的問題，提高檢測的精度和減少測量誤差。一方面，本發(fā)明提供了一種軸銷式力傳感器，包括軸銷和至少三個應變片，每個應變片在軸銷的不同徑向上，每個應變片產(chǎn)生的應變信號單獨輸出。進一步地，每個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。進一步地，包括四個應變片，每個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。進一步地，軸銷外表面上開設有多個凹槽，應變片位于凹槽內(nèi)。進一步地，沿軸銷的軸線開設有通孔，應變片位于通孔的內(nèi)表面上。進一步地，每個應變片分別接入一個電橋電路,每個應變信號單獨輸出。另一方面還提供了一種檢測軸銷所承受徑向力的方法，包括步驟1:在軸銷的不同徑向上布置有至少三個應變片，每個應變片產(chǎn)生的應變信號單獨輸出；步驟2 :在標定試驗機上對軸銷的圓周上進行加載徑向力，采集與每個加載徑向力對應的應變片的應變信號，步驟3 ;建立預測數(shù)學模型；通過預測數(shù)學模型計算軸銷所承受的徑向力大小和方向。進一步地，在步驟2與步驟3之間，還包括建立神徑網(wǎng)絡模型或者支持向量機模型；將步驟2采集的每個加載徑向力對應的應變片的應變信號數(shù)據(jù)輸入到神徑網(wǎng)絡模型或者支持向量機模型中進行訓練；得到徑向力大小及方向預測數(shù)學模型。進一步地，在步驟I中，應變片包括四個，每個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。本發(fā)明提出一種軸銷式力傳感器及檢測軸銷所承受徑向力的方法有益效果在于其一，可以檢測軸銷所承受多方向復雜的隨機徑向力的問題；其二，檢測的精度高；其三，可以測量軸銷所承受徑向力的大小和徑向力作用方位。


構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中圖1為本發(fā)明一種軸銷式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A— A向示意圖；圖3為圖1的一種應變片電橋電路接線不意圖；圖4為本發(fā)明另一種軸銷式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4的A— A向示意圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。下面結(jié)合圖1至圖3，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，一種軸銷式傳感器，包括軸銷I和四個應變片3a、3b、3c、3d，4個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。四個應變片3a、3b、3c、3d通過粘貼工藝粘貼在的四個凹槽2中。凹槽2為四方形，兩端采用半圓形過渡結(jié)構(gòu)，該凹槽2結(jié)構(gòu)可以防止軸銷I彈性變形時，在凹槽2處應力集中，造成檢測軸銷I所承受徑向力測量不準，提高了檢測徑向力精度。同時，四個應變片位于同一圓周方向上，可以提高檢測軸銷I所承受徑向力精度，防止測量誤差的產(chǎn)生。也可以不均勻布置在同一個圓周方向上，只需要布置在不同徑向上，但是測量的精度會差一些。如圖3所示，四個應變片3a、3b、3c、3d，每個應變片單獨構(gòu)成電橋電路輸出，如應變片3a和三個電阻R1、R2、R3構(gòu)成電橋電路輸出；電源一端連接于應變片3a和電阻Rl之間，另一端連接于電阻R2和R3之間；電橋電路輸出電路U0 一端連接于應變片3a和電阻R3之間，另一端連接于兩個電阻Rl和R2之間，Utl代表Y方向上，應變片3a產(chǎn)生的應變信號輸出。同理，應變片3b、3c、3d電橋電路相同。如圖4和圖5所示，另一種軸銷式傳感器與圖1和圖2所示的軸銷式傳感器不同在于，軸銷I沿軸線方向開設有通孔，在通孔的內(nèi)表面上粘貼有四個應變片3a、3b、3c、3d，該四個應變片3a、3b、3c、3d直接粘貼在通孔的內(nèi)表面，軸銷I對稱設置，軸銷I承受徑向力后，不會產(chǎn)生應力集中，防止實測數(shù)值與實際徑向力產(chǎn)生偏差，提高了檢測軸銷I所承受徑向力的精度，同時結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，而且可以保護四個應變片3a、3b、3c、3d不受到破壞。軸銷式傳 感器通過采集四個應變片3a、3b、3c、3d產(chǎn)生的應變信號，經(jīng)過計算獲得軸銷所承受徑向力的大小及力的作用方位角度，從而達到測量軸銷圓周360度任何方向的徑向力。上述的軸銷式傳感器，應變片數(shù)量也可以均勻布置在同一圓周上的3個、5個、6個、7個、8個、9個、10個等。本發(fā)明為了檢測軸銷圓周360度任何方向的徑向力和作用力方位角度，還提供一種檢測軸銷所承受徑向力的方法。 (I)首先四個應變片3a、3b、3c、3d采用圖4的電橋電路連接方式，每個應變片單獨輸出，也可以均勻布置3個應變片。(2)采集訓練樣本在標定試驗機上對軸銷進行加載，分別采集與加載力F (方位角為Θ )對應的四個應變片的應變信號，采集的應變信號序列用4Xn矩陣X表示，Χ^.( =1,2, 3,4;j=l,L, η)表示在載荷Fj (方位角為θ ρ作用下第i個應變片的輸出，η表示采樣序列的長度，X即為標定試驗中采集到的訓練樣本，F(xiàn)，Θ為目標輸出。(3)建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型或支持向量機模型運用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱，建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型或支持向量機模型。(4)學習訓練將(2)中所述訓練樣本X和目標輸出F，Θ輸入到(3)中所建模型，對模型進行訓練。神經(jīng)網(wǎng)絡和SVM采用不同的訓練方法，前者最小化經(jīng)驗風險；后者則最小化期望風險。兩者的通用做法都是通過將樣本集的輸入/輸出模式反復作用于模型，使模型按照一定的學習算法自動調(diào)節(jié)自身的參數(shù)，當模型的實際輸出滿足期望要求時，則認為學習圓滿結(jié)束。使用訓練集中的很多樣本重復網(wǎng)絡的訓練，使得在所有樣本上的經(jīng)驗風險或期望風險達到最小時，得到理想的軸銷式力傳感器的模型。具體來說，首先將訓練集中每一個樣本(XyFj)JXj, Θ p，j=l，L，n，輸入模型，計算出模型實際輸出的力的大小€和力的方位角0妖后求模型對該模型的預測誤差=Fj-F；,d9f = Oj -Θ]潔^后計算在所有樣本
上的累計誤差
權(quán)利要求
1.一種軸銷式力傳感器，其特征在于包括軸銷和至少三個應變片，每個應變片在軸銷的不同徑向上，每個應變片產(chǎn)生的應變信號單獨輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸銷式力傳感器，其特征在于，每個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸銷式力傳感器，其特征在于，包括四個應變片，每個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的軸銷式力傳感器，其特征在于，軸銷外表面上開設有多個凹槽，應變片位于凹槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的軸銷式力傳感器，其特征在于，沿軸銷的軸線開設有通孔，應變片位于通孔的內(nèi)表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的軸銷式力傳感器，其特征在于，每個應變片分別接入一個電橋電路，每個應變信號單獨輸出。
7.—種檢測軸銷所承受徑向力的方法，其特征在于，包括 步驟1:在軸銷的不同徑向上布置有至少三個應變片，每個應變片產(chǎn)生的應變信號單獨輸出； 步驟2 :在標定試驗機上對軸銷的圓周上進行加載徑向力，采集與每個加載徑向力對應的應變片的應變信號， 步驟3 ;建立預測數(shù)學模型；通過預測數(shù)學模型計算軸銷所承受的徑向力大小和方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于；在步驟2與步驟3之間，還包括建立神徑網(wǎng)絡模型或者支持向量機模型；將步驟2采集的每個加載徑向力對應的應變片的應變信號數(shù)據(jù)輸入到神徑網(wǎng)絡模型或者支持向量機模型中進行訓練；得到徑向力大小及方位的預測數(shù)學模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在步驟I中，應變片包括四個，每個應變片均勻布置在軸銷的同一個圓周方向上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軸銷式力傳感器，包括軸銷和至少三個應變片，每個應變片在軸銷的不同徑向上，每個應變片產(chǎn)生的應變信號單獨輸出。當軸銷承受徑向力時，應變片產(chǎn)生應變信號輸出，通過計算獲得軸銷所承受的徑向力大小和方向。本發(fā)明還提供了檢測軸銷所承受徑向力的方法。本發(fā)明解決檢測軸銷所承受多方向復雜的隨機徑向力的問題，提高檢測的精度和減少測量誤差。
文檔編號G01L1/22GK103063341SQ20121055468
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者劉永紅, 朱永生, 張優(yōu)云, 閆玉平, 錢思思, 陳渭, 朱愛斌, 何志輝 申請人:三一重工股份有限公司