带有过载保护功能的开口型大横向刚度剪切式载荷传感器

摘要

带有过载保护功能的开口型大横向刚度剪切式载荷传感器，包括底座，底座上的刚性柱、弹性梁、承力柱、保险凸台，粘贴在弹性梁中线上，沿±45°分布的应变片，安装在上方的传感器上罩壳、承力凸台，以及布置在传感器罩壳内的测量电路；本发明传感器具有过载保险功能，依据测量载荷上限合理设计保险凸台与底座之间的浮空间隙，保证过载工况下保险凸台与底座接触，阻止弹性梁的进一步剪切变形，从而使传感器工作在设定的区间内，防止发生过载破坏；本发明在保证传感器测量精度的同时，使用剪切梁作为测量的弹性元件，大幅提升了传感器的横向刚度，提升了传感器的稳定性与可靠性；传感器±45°的应变片布置方式与全桥测量电路接法具有温度补偿功能，改善了传感器的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测油田游梁式抽油机光杆载荷的传感器，具体 涉及一种带有过载保护功能的开口型大横向刚度剪切式载荷传感器。

背景技术

游梁式抽油机是目前石油开采中应用最为广泛的采油设备，为了 能够掌握抽油机系统的工作状态，常采用功图的方法进行测量，光杆 实时载荷测量是其中必不可少的一个环节，目前所使用的光杆载荷传 感器，多采用测量柱形弹性元件受压应变的方式进行载荷测量，而单 纯的弹性柱在大载荷测量中无法抵抗复杂工况所带来的偏心加载、非 法向加载。轻者产生难以估计的测量误差，重者甚至造成传感器破坏 酿成生产事故。因此迫切需要一种具有大横向刚度的载荷传感器，

发明内容

为了满足上述需求，本发明的目的在于提出一种带有过载保护功 能的开口型大横向刚度剪切式载荷传感器，传感器采用横向刚度更 高，稳定性更好的梁式弹性结构替代现有传感器中的柱式弹性结构， 采用全桥电路测量，测量系统自身具有温度补偿的特性，且增加了过 载保险的设计，大幅提升了传感器工作的稳定性与可靠性，同时根据 不同测量需求具有较强的可设计性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种带有过载保护功能的开口型大横向刚度剪切式载荷传感器， 具有左右对称的几何形式，包括底座1，设置在底座1上的两个侧向 刚性柱2-1和中心刚性柱2-2，跨连在侧向刚性柱2-1和中心刚性柱 2-2间、浮空于底座1上的弹性梁3，位于每个弹性梁中间的承力柱4， 位于承力柱4下方、浮空于底座1上的保险凸台5，以及沿+45°、-45° 布置、粘贴在弹性梁3两侧，处于承力柱4与侧向刚性柱2-1和中心 刚性柱2-2之间的应变片6，还包括传感器上罩壳7，安装在传感器 上罩壳7内部的测量电路8，安装在罩壳7上方，与承力柱4通过螺 纹连接的承载凸台9。

中心刚性柱2-2两侧的弹性梁3形成两组梁式弹性元件，通过 两组梁式弹性元件的剪切变形来测量传感器所受到的载荷。

所述两组梁式弹性元件，根据需要设计成不同的夹角布置，使 得传感器在平面内的两个方向上都有预设的横向刚度。

所述保险凸台5与底座1之间的间隙根据传感器的量程上限进 行设计，达到设计载荷上限时保险凸台5恰好与底座1接触，防止 对传感器造成破坏，具有过载保险功能。

所述底座1上开有中心缺口，所述侧向刚性柱2-1、弹性梁3 以及承力柱4对称地分别在中心缺口的两侧。

所述底座1与侧向刚性柱2-1、中心刚性柱2-2、弹性梁3、承 力柱4以及保险凸台5由一整块材料一体加工而成，以保证连接可 靠、耐用。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、横向刚度大，梁式弹性元件相比于柱形弹性元件具有更好的 横向稳定性，梁式弹性元件呈一定角度布置能更有效的提升平面内x、 y两个方向的横向刚度，可以抵抗难以预料的非法向加载、偏心加载 等复杂工况。

2、在剪切梁中间设计有过载保险，过载情况下弹性梁与底座接 触，防止进一步破坏变形，提升了传感器的可靠性。

3、梁式结构相比于传统的柱式结构，纵向上的几何尺寸更小， 因此传感器的高度更低，可以设计成更为轻薄，便于安装的形式。

4、本发明的载荷传感器采用开口式设计，便于快速的进行现场安 装，拆卸维护，具有很强的便捷性。

5、+45°，-45°分布的应变片为拉压对称的形式，采用全桥电路方法 进行测量，提升传感器灵敏度的同时自身具有温度补偿功能，能够在不 同环境温度下保证传感器测量结果的精确性。

附图说明

图1为本发明传感器的爆炸示意图，

图2为本发明传感器的局部示意图，

图3为本发明传感器的局部侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2、图3所示，本发明一种带有过载保护功能的开口 型大横向刚度剪切式载荷传感器，具有左右对称的几何形式，包括底 座1，设置在底座1上的两个侧向刚性柱2-1和中心刚性柱2-2，跨连 在侧向刚性柱2-1和中心刚性柱2-2间、浮空于底座1上的弹性梁3， 位于每个弹性梁中间的承力柱4，位于承力柱4下方、浮空于底座1 上的保险凸台5，以及沿+45°、-45°布置、粘贴在弹性梁3两侧，处 于承力柱4与侧向刚性柱2-1和中心刚性柱2-2之间的应变片6，还 包括传感器上罩壳7，安装在传感器上罩壳7内部的测量电路8，安 装在罩壳7上方，与承力柱4通过螺纹连接的承载凸台9。中心刚性 柱2-2两侧的弹性梁3形成两组梁式弹性元件，通过两组梁式弹性元 件的剪切变形来测量传感器所受到的载荷。所述两组梁式弹性元件， 根据需要设计成不同的夹角布置，使得传感器在平面内的两个方向上 都有预设的横向刚度。所述保险凸台5与底座1之间的间隙根据传感 器的量程上限进行设计，达到设计载荷上限时保险凸台5恰好与底座 1接触，防止对传感器造成破坏，具有过载保险功能。

作为本发明的优选实施方式，所述底座1上开有中心缺口，所 述侧向刚性柱2-1、弹性梁3以及承力柱4对称地分别在中心缺口的 两侧。

作为本发明的优选实施方式，所述底座1与侧向刚性柱2-1、中心 刚性柱2-2、弹性梁3、承力柱4以及保险凸台5由一整块材料一体 加工而成，以保证上述几个部分之间的连接可靠、耐用。

进行载荷测量时，本发明的测量原理如下：

承载凸台9受到上方载荷的作用，将载荷传递到承力柱4上，由于保 险凸台5与弹性梁3浮空在底座1上，弹性梁3依靠梁端的侧向刚性 柱2-1和中心刚性柱2-2固定，因此载荷对弹性梁3造成剪切作用， 依据材料力学可以推导出，弹性梁3在剪切作用下在中线附近的应变 形式为沿+45°、-45°方向分布的拉压正应变。该正应变与弹性梁上所 承受的载荷呈线性关系，因此保证了传感器具有良好的线性度。当载 荷达到所设计的载荷测量值上限时，弹性梁3发生的形变恰好使保险 凸台5接触于底座1上，从而阻止了结构的进一步变形，保证弹性梁 3及表面所贴应变片6工作在预设的安全范围之内。