[发明专利]应变式力传感器的内锥形弹性体及其优化方法

说明书

技术领域

本发明属于机械测试测量技术领域，涉及一种应变式力传感器的内锥形弹性体，还涉及一种该内锥形弹性体的优化方法。 

背景技术

螺栓作为常用的连接件在工程中应用十分广泛，螺栓轴向预紧力对它的性能、寿命乃至被连接件的性能、寿命都有很大的影响。在螺栓结合部以及依靠螺栓加载的大面积接触的结合部的静态和动态特性研究中，螺栓轴向预紧力的准确测量，是整个研究的基础之一。通常采用的螺栓轴向预紧力的测量技术有扭矩扳手法，电阻应变片法，超声应力测量法等几种^[1]。 

扭矩扳手法是目前工程中应用最普遍的一种测量和控制螺栓预紧力方法。其原理是根据扭矩来间接控制螺栓预紧力。这种方法操作简单，但是由于螺母与螺栓的螺纹面和螺母与被连接件的接触面之间的摩擦因数的离散性，导致转矩系数离散，即使在确保加工精度，保证良好润滑的条件下，对施加相同扭矩的螺栓，预紧力的测量误差最高也会达到30％左右^[2]。 

电阻应变片电测法也是一种常用的螺栓预紧力的测量方法，它通过粘贴在螺栓表面的应变片测量螺栓表面的应变，进而获得螺栓的轴向预紧力。该方法测量精度较力矩扳手高，但需要将所用的螺栓改制^[3]。对于Φ10以下的螺栓，改制时应变片的引线引出比较困难，并且应变片粘贴空间很小，应力集中影响大，导致不同螺栓灵敏度差别比较大。 

根据声弹性原理，超声波的速度会因材料中的应力而产生微小的变化。通过研究螺栓轴向应力与超声波传播时间变化率的关系，可以测量螺栓中的应力进而获得螺栓轴向预紧力。该方法的缺点是必须通过各种形式的耦合层实现探头和工件的耦合，耦合层的不均匀性带来的测量误差可以达到与测量值相同的数量级。超声波测量结果也容易受到其它一些因素的影响，导致测量精度变差，例如被测螺栓的几何形状，螺栓中不均匀的应力场的影响等。此外，该方法要求具有精密的声时测量系统和温度测量系统，这些都限制了该方法的实际应用 ^[1]。 

应变式测力传感器是一种常用的电测法测力传感器，其弹性体的常见形式，有柱式，悬臂式，S式和轮辐式等几种形式^[4，5]。轮辐式测力测力传感器是一种剪切型测力传感器，应变片粘贴在轮辐的侧面用以测量剪切力。这种类型的测力传感器轴向尺寸较小，如果孔径合适，可以将螺栓穿过中心孔，螺栓预紧后可以通过应变片将预紧力测出。这种形式的弹性体缺点是高应力区范围很小，应力梯度大，应变片粘接位置的误差会导致传感器灵敏度差别比较大。 

发明内容

本发明的目的是提供一种应变式力传感器的内锥形弹性体，解决了现有的轮辐式弹性体应变片粘接位置的误差会导致传感器灵敏度差别比较大，且轮辐式弹性体结构复杂，较难加工的问题。 

本发明的另一个目的是提供上述内锥形弹性体的优化方法。 

本发明所采用的技术方案是，一种应变式力传感器的内锥形弹性体，包括圆柱形基体，基体上部设置有锥形凹部，锥形凹部的底部设置有中心孔；锥形凹部的锥面上设置有应变片；锥形凹部的中轴线与中心孔的中轴线位于同一条直线上。 

本发明所采用的另一个技术方案是，上述内锥形弹性体的优化方法，其具体操作步骤如下： 

第一步， 

根据应变式力传感器内锥形弹性体的结构，估计出弹性体的初始尺寸； 

第二步， 

采用有限元方法，根据弹性体的初始尺寸建立有限元模型，计算弹性体在螺栓轴向力作用下的应力； 

第三步， 

根据第二步得到的锥形凹部锥面上的应力分布情况，调整模型的锥角后再次计算，直至内锥面上的应力分布均匀；具体调整过程为： 

根据下面的迭代公式确定锥形凹部锥角的调整量：