CN103453832A - 一种多用途变形测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用途变形测量装置以及该装置的测量方法，属工程测试技术领域。本发明的测量装置包括支柱、横梁、悬臂梁、转杆、第一柔性索、第二柔性索、第一固定卡环、第二固定卡环、游标尺、电阻应变片、桥盒组成，由于将应变片后端放置，前端通过柔性索牵拉传递变形，从而使得测量装置可适应大标距试件以及液下极端环境的测量；所述测量方法先核定游标尺标距，根据被测试件的弹性模量选择转杆插销孔，将第一、第二固定卡环与游标尺装配并固定于被测试件，然后装配第一、第二柔性索，启动试验台施加载荷，读取电桥信号，计算悬臂梁挠度，得到被测试件变形量。本发明结构简单，适用大标距、压缩变形以及液下极端环境的测量，用途广泛。

Description

一种多用途变形测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于工程测试技术领域，涉及一种固体变形的测量，具体的说涉及工程结构或试样拉伸、压缩变形的测量装置及测量方法。

背景技术

在工程测试实践中，对材料试样或结构受力后的变形进行准确的测量非常重要。如在进行材料的拉伸试验中，我们在测定材料的弹性模量、规定非比例屈服强度，或绘制应力应变曲线时必须对该材料的试样在受拉后其变形量进行准确测量，压缩试验亦然。目前此类试验中的变形一般采用引伸计来测量，常用的电阻应变式引伸计输出信号为电信号，便于仪表的自动采集、处理，目前应用最为广泛，但缺点也很明显：1.通常标距固定，为了满足不同试验的需要必须配备各种标距的引伸计，试验成本增加；2.量程小，只能测量小变形，对较大的变形测量不适用；3.由于引伸计通过刀刃与试样直接连接，试样断裂时产生的较大冲击力会直接传递给引伸计的敏感元件，损坏测量机构；4.对于压缩变形不适用；5.不能满足水下、特别是水下高温、腐蚀环境试验。

国外现有的水用引伸计可在水或盐水溶液中使用，但只限于常温、短时间的测试，且与常规引伸计一样，标距固定，量程也较小。

中国实用新型专利CN2816793Y中针对已有引伸计标距小的问题，公开了一种大标距引伸计，其通过在加大标距装置和常规小标距引伸计之间增设一个变形过度装置，将大间距装置的变形等值的转换到小标距引伸计的两刀口变形量，实现对大标距变形的测量。但由于该装置测量本体仍然是传统小标距引伸计，对于大变形、压缩变形、水下测量仍均不适用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的问题和不足，提供方便、快捷，成本很低，且可适用多种用途的变形测量装置及测量方法。

为达到上述目的，解决上述技术问题所采用的技术方案是一种多用途变形测量装置，包括下端带有底座的支柱7，偏离中线开有一通孔的横梁21，均布开设有多个径向销孔的转杆5，悬臂梁6，第一柔性索3，第二柔性索4，第一固定卡环1，第二固定卡环2和游标尺18，其中所述支柱7的上下端分别开有一径向通孔，所述横梁21通过通孔固套在支柱7中部以上位置，所述横梁21的左端与所述悬臂梁6的一端相垂直连接，所述横梁21的右端与所述转杆5中部任一销孔销接，所述第一柔性索3的一端与所述转杆5的上端相连接，另一端依次穿过所述支柱7上端通孔、第二固定卡环2与第一固定卡环1相连接，所述第二柔性索4的一端与所述转杆5的下端相连接，另一端穿过所述支柱7下端通孔与所述悬臂梁6另一端相连接，所述第一固定卡环1与第二固定卡环2还分别与所述靠近被测试件20的游标尺18相连接，所述横梁21左端上表面还设置有与设置在所述悬臂梁6上部的电阻应变片10电连接的桥盒9。

所述第一固定卡环1、第二固定卡环2设计均为剪刀状弹簧夹，其包括两片交叉连接的夹体以及产生夹持力夹持弹簧，夹体由夹头和夹柄组成，夹头相向内侧均设有内凹的夹持刀刃，外侧中部均设有一突起的凸柄，连接位置位于夹柄段，且其开有供第一柔性索3穿连的通孔，夹持弹簧连接于两夹柄靠近夹头端内侧。

作为本发明装置的进一步改进，提供一种能够用于测量压缩变形的测量装置，为此，在第一固定卡环1、第二固定卡环2上还活动连接有用于反向传递被测试件20变形方向的反向机构17，将被测试件20应力变形反向传递。所述反向机构17由套杆、套筒组成，所述套筒穿套于套杆中部，套杆及套筒的顶端、底端均径向设置有方向相反的突起物，其中套杆顶端及套筒底端的突起物还分别设有与第二固定卡环2、第一固定卡环1外侧凸柄活动接插连接的中心盲孔，套杆底部和套筒顶部突起物均开有用于穿连第一柔性索3的径向通孔。

此外还在本发明装置转杆5与横梁21相互形成的任一夹角之间设置复位弹簧8，用来使悬臂梁6复位。所述支柱7的底座的材质为磁性材料，便于装置现场快速安放。所述第一柔性索3、第二柔性索4优选为因瓦合金材料，此材料膨胀系数接近为零，弹性模量较大，具备抗拉刚度大、长度不随温度变化而变化的特点。

为达到上述目的，本发明解决技术问题所采用的另一个技术方案是：一种多用途变形测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)校核并固定游标尺18标距，根据被侧试件20材质选择转杆5与横梁21销接销孔位置；

2)将游标尺18与第一固定卡环1、第二固定卡环2相连接，并将第一固定卡环1及第二固定卡环2夹持于被测试件20上；将第二柔性索4穿过支柱7的下端通孔，两端张紧并分别固定于悬臂梁6下端及转杆5下端；再将第一柔性索3一端与转杆5上端相连接，另一端依次穿过支柱7上端通孔、第二固定卡环2，张紧并与第一固定卡环1相连接；

3)利用惠斯顿电桥原理将桥盒9与悬臂梁6上部的应变花10按全桥接法组成测量电桥；

4)启动试验机，对被测试件20施加载荷，被测试件20产生变形，进而牵拉带动悬臂梁6产生弯曲变形，从而带动电阻应变片10变形造成其电阻值发生改变，使测量电桥输出电压信号ΔU；

5)利用试验机数据采集系统读取桥盒9输出的电压信号ΔU，根据电测应力、应变实验方法得到悬臂梁6在电阻应变片10处沿悬臂梁6长度方向的线应变ε；代入胡可定律得到该处的弯曲正应力σ；再根据弯曲正应力公式得到悬臂梁6上电阻应变片10所在截面的弯矩M；弯矩M除以悬臂梁6上部电阻应变片10所在截面到悬臂梁6下端的距离得到悬臂梁6下端所受集中力P，将所得集中力P值代入弯曲挠度公式求得悬臂梁6下端产生的挠度δ；

6)根据转杆5销孔位置分隔转杆5上下部长度比例，确定悬臂梁6的下端挠度δ与被测试件20变形量之间的线性比例系数k，将系数k乘以悬臂梁6的挠度δ，从而得出被测试件20变形量。

综上所述，本发明与现有技术相比具有如下特点和有益效果：

1、由于将应变片后端放置，前端通过柔性索牵拉传递变形，从而使得测量装置可适应大标距试件以及液下极端环境的测量；

2、通过转杆上插销孔的调节，可以对弹性模量较大的试件进行测量；

3、通过在刀刃与应变片之间引入柔性索，从而在试样测量断裂时产生的冲击可以逐次衰减，避免了传统引伸计在测量后期必须凭经验提前拆下，否则会冲击损坏引伸计的弊端；

4、加装反向机构后，增加了对压缩变形的测量。本发明结构简单，操作便利，适用用途广泛；

5、通过对游标尺的开距进行调整，可以满足不同尺寸被测试件试验的需要。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明固定卡环结构示意图；

图3为被测试件液下环境变形测量局部示意图；

图4为本发明反向机构结构示意图；

图5为本发明装置的工作行程原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明测量装置优选实施方式的结构示意图，如图1所示，本发明装置包括下端带有底座的支柱7，偏离中线开有一通孔的横梁21，均布开设有多个径向销孔的转杆5，悬臂梁6，第一柔性索3，第二柔性索4，第一固定卡环1，第二固定卡环2和游标尺18，其中所述支柱7的上下端分别开有一径向通孔，所述横梁21通过通孔固套在支柱7中部以上位置，所述横梁21的左端与所述悬臂梁6的一端相垂直连接，所述横梁21的右端与所述转杆5中部任一销孔销接，转杆5开8个销孔即可满足测量需要，横梁21采用大抗弯刚度的材料，悬臂梁6采用小抗弯刚度的材料。所述第一柔性索3的一端与所述转杆5的上端相连接，另一端依次穿过所述支柱7上端通孔、第二固定卡环2与第一固定卡环1相连接，所述第二柔性索4的一端与所述转杆5的下端相连接，另一端穿过所述支柱7下端通孔与所述悬臂梁6另一端相连接，所述第一固定卡环1与第二固定卡环2还分别与所述靠近被测试件20的游标尺18相连接，所述横梁21左端上表面还设置有桥盒9，与设置在所述悬臂梁6上部的电阻应变片10连接组成惠斯顿测量电桥。

第一固定卡环1、第二固定卡环2的设置用于传递被测试件20的变形，可以采用多种方式，只要第一柔性索3一端固定于被测试件，另一端在牵引时能保证第一柔性索3自由穿行移动，在本例中，第一固定卡环1、第二固定卡环2设计为剪刀状弹簧夹，如图2所示，其包括两片交叉铰接的夹体以及产生夹持力夹持弹簧，夹体由夹头和夹柄组成，夹头相向内侧均设有刃口内凹的夹持刀刃，外侧中部均设有一突起的凸柄，铰接位置位于夹柄段，并在铰接位置处开有通孔，供柔性索3穿行移动，夹持弹簧连接于两夹柄靠近夹头端内侧。游标尺18设计两个与夹头外侧的凸柄相配合的凹孔，从而通过凹孔、凸柄的插接来实现与第一固定卡环1、第二固定卡环2的连接。内凹的夹持刀刃夹持被测试件20时增加了接触点，从而消除传统引伸计刀刃接触部位应力集中的问题。

此外在本发明装置所述转杆5与横梁21相互形成的夹角之间设置复位弹簧8，用来使悬臂梁6复位，同时便于测量时第一柔性索3和第二柔性索4的张紧和安装。支柱7底座的材质采用磁性材料，可利用自身磁性与金属工作台固定，现场快速安放。所述第一柔性索3、第二柔性索4优选为因瓦合金材料，此材料膨胀系数接近为零，弹性模量较大，具备抗拉刚度大、长度不随温度变化而变化的特点。

测试时，被测试件20上端固定于试验机固定横梁，下端固定于试验机活动横梁，通过活动横梁的移动实现对被测试件20的加载，被测试件20在载荷作用下发生变形，牵拉柔第一性索3、转杆5、第二柔性索4，使悬臂梁6产生挠度，从而可以最终得出被测试件的变形。

本发明装置第二种实施方式与前一种实施方式的区别主要是应用环境的变化，图3示出了液下极端环境下的变形测量装置的局部示意图。传统引伸计并不适应液下环境，特别是极端液下环境，如高温、腐蚀液体，本发明测量装置通过牵拉传递引出变形量，将被测试件与桥路系统分离，同时第一柔性索3为抗腐蚀材料，对温度并不敏感，可以与腐蚀液体直接接触，测量时可以用套筒给被测试件20施加载荷，套筒与腐蚀液体容器之间用橡皮圈14进行密封，装置本身的结构及安装与前述实施例相同，引出的柔性索3可用换向滑轮11导引换向。

图4示出了本发明装置第三种实施方式中反向机构17的结构示意图，作为本发明装置的更进一步改进，提供一种能够用于测量压缩变形的测量装置，为此，在第一实施例基础上，在第一固定卡环1及第二固定卡环2上插接一反向机构17，所述反向机构17主要由套杆、套筒组成，用于将被测试件20应力变形反向传递，即压缩变为扩张，从而牵拉柔性索3发生位移。所述套筒穿套于套杆中部，套杆、套筒的顶端及底端均径向设置有方向相反的突起物，套杆顶端及套筒底端的突起物开有与第一固定卡环1、第二固定卡环2夹头外侧凸柄相配合的轴向中心盲孔，安装时直接插接即可，套杆底部、套筒顶部突起物开有径向通孔，供第一柔性索3穿行及固定。反向机构17通过套杆顶端及套筒底端突起物的中心盲孔以及与之配合的第一固定卡环1、第二固定卡环2夹头外侧凸柄与第一固定卡环1、第二固定卡环2相连接，第一柔性索3的一端与转杆5的上端相连接，另一端依次穿过支柱7上端通孔、套筒顶部突起物的通孔与套杆底部的突起物相连接。其余部分与第一实施例相同。当对被测试件20施加压缩载荷时，反向机构17反向传递第一固定卡环1、第二固定卡环2位移方向，从而牵拉第一柔性索3、转杆5、第二柔性索4，使悬臂梁6产生挠度，进而得出被测试件的变形。

图5为本发明装置的工作行程原理图，转杆5在第一柔性索3牵拉作用下绕右悬臂末端O点转动θ角，D′E′为转杆5新位置，γ角为柔性索3相应转动角度，角为柔性索4相应转动角度。设被测试件20发生变形量ΔL，柔性索3发生的位移亦为ΔL，且有：

ΔL=L_CD-L_CD′

当转杆5的转动角度θ很小时，第一柔性索3和第二柔性索4分别转动角度γ和也很小，由余弦定理：

$L_{{\mathrm{DD}}^{\′}}^2=L_{\mathrm{CD}}^2+L_{{\mathrm{CD}}^{\′}}^2{-2L}_{\mathrm{CD}}{L}_{{\mathrm{CD}}^{\′}}\cos \mathrm{\γ}$

转角γ很小时，由几何关系知：

γ→0，cosγ≈1

即有：

L_DD′=L_CD-L_CD′=ΔL

同理，转角

很小时有：

L_EE′=L_GE′-L_GE

转杆5绕O点转动，由几何关系可知：

$\frac{L_{{\mathrm{DD}}^{\′}}}{L_{{\mathrm{EE}}^{\′}}}=\frac{L_{\mathrm{OD}}}{L_{\mathrm{OE}}}=k$

上式中k即悬臂梁6的挠度与被测试件20的变形量之间的线性比例系数，其可以通过改变转杆5的转动中心位置O，即销孔位置来调节，上式表达了被测试件20的变形大小与悬臂梁6的转角挠度之间的关系。

利用本发明的多用途测量装置进行测量时，首先校核并固定游标尺18标距，根据被侧试件20材质，选择右悬臂与转杆5铰接插销孔位置，当被测试件为金属等弹性模量较大的材料时，可选择转杆5的上半部插销孔，当被测试件为橡胶等弹性模量较小的的材料时，可选择转杆5下半部的插销孔，通过系数k调整悬臂梁6的转动挠度。

然后将游标尺18与第一固定卡环1、第二固定卡环2通过凹孔、凸柄装配，并将第一固定卡环1、第二固定卡环2夹持于被测试件20上；将第二柔性索4穿过支柱7的下端通孔，两端张紧并分别固定于悬臂梁6下端及转杆5下端,此时复位弹簧8的定位作用便于第二柔性索的张紧及装配；再将第一柔性索3一端与转杆5上端相连接，另一端依次穿过支柱7上端通孔、第二固定卡环2，张紧并与第一固定卡环1相连接；

再将桥盒9与悬臂梁6上部的电阻应变片10按全桥接法组成惠斯顿测量电桥；安装完成后启动试验机，对被测试件20施加载荷，被测试件20产生变形，进而牵拉带动悬臂梁6产生弯曲变形，从而带动电阻应变片10变形造成其电阻值发生改变，使测量电桥输出电压信号ΔU；

利用试验机数据采集系统读取桥盒9输出的电压信号ΔU，计算出悬臂梁6下端产生的挠度δ，包括以下步骤：

1)根据电测应力、应变实验方法，由

得到悬臂梁6在电阻应变片10处沿悬臂梁6的长度方向的线应变ε，η为与测量电桥相关的常数，K为电阻应变片10的灵敏系数，U为测量电桥的供桥电压，测量时K和U为常量；

2)根据胡可定律σ=E·ε得到该处的弯曲正应力σ，式中：E为悬臂梁6所用材料的弹性模量；

3)根据弯曲正应力公式

得到悬臂梁6上电阻应变片10所在截面的弯矩M，式中：W_Z是悬臂梁6的抗弯截面系数；

4)由材料力学公式M=P·l′得出悬臂梁6下端所受集中力P,其中l′为悬臂梁6上部电阻应变片10所在截面到悬臂梁6下端的距离；

5)由梁的弯曲挠度公式计算出悬臂梁6下端产生的挠度δ，其中l、I分别是悬臂梁6的长度和截面惯性矩；

最后根据转杆5销孔位置分隔转杆5上下部长度比例，确定悬臂梁6的下端挠度δ与被测试件20变形量之间的线性比例系数k，将系数k乘以悬臂梁6的挠度δ，从而得出被测试件20变形量。

另外，通过对测量结果进行标定可以进一步提高装置的测量精度。

Claims (9)

1.一种多用途变形测量装置，其特征在于包括下端带有底座的支柱（7），偏离中线开有一通孔的横梁（21），均布开设有多个径向销孔的转杆（5），悬臂梁（6），第一柔性索（3），第二柔性索（4），第一固定卡环（1），第二固定卡环（2）和游标尺（18），其中所述支柱（7）的上下端分别开有一径向通孔，所述横梁（21）通过通孔固套在支柱（7）中部以上位置，所述横梁（21）的左端与所述悬臂梁（6）的一端相垂直连接，所述横梁（21）的右端与所述转杆（5）中部任一销孔销接，所述第一柔性索（3）的一端与所述转杆（5）的上端相连接，另一端依次穿过所述支柱（7）上端通孔、第二固定卡环（2）与第一固定卡环（1）相连接，所述第二柔性索（4）的一端与所述转杆（5）的下端相连接，另一端穿过所述支柱（7）下端通孔与所述悬臂梁（6）另一端相连接，所述第一固定卡环（1）与第二固定卡环（2）还分别与所述靠近被测试件（20）的游标尺（18）相连接，所述横梁（21）左端上表面还设置有与设置在所述悬臂梁（6）上部的电阻应变片（10）电连接的桥盒（9）。

2.根据权利要求1所述多用途变形测量装置，其特征在于，所述第一固定卡环（1）、第二固定卡环（2）均为剪刀状弹簧夹。

3.根据权利要求2所述多用途变形测量装置，其特征在于，所述剪刀状弹簧夹的夹头相向内侧设有内凹的夹持刀刃，外侧中部均设有一突起的凸柄，交叉连接部位开有通孔。

4.根据权利要求1所述多用途变形测量装置，其特征在于，所述装置用于测量压缩变形时在第一固定卡环（1）、第二固定卡环（2）上还活动连接有用于反向传递被测试件（20）变形方向的反向机构（17）。

5.根据权利要求4所述多用途变形测量装置，其特征在于，所述反向机构（17）由套杆、套筒组成，所述套筒穿套于套杆中部，套杆及套筒的顶端、底端均径向设置有方向相反的突起物，其中套杆顶端及套筒底端的突起物还分别设有与第二固定卡环（2）、第一固定卡环（1）外侧凸柄活动连接的中心盲孔，套杆底部和套筒顶部的突起物均开有用于穿连第一柔性索（3）的径向通孔。

6.根据权利要求1所述的多用途变形测量装置，其特征在于，所述转杆（5）与横梁（21）相互形成的任一夹角之间设有复位弹簧（8）。

7.根据权利要求1所述的多用途变形测量装置，其特征在于所述支柱（7）的底座的材质为磁性材料。

8.根据权利要求1所述多用途变形测量装置，其特征在于，所述第一柔性索（3）与第二柔性索（4）采用因瓦合金材料。

9.一种如权利要求1所述的多用途变形测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)校核并固定游标尺（18）标距，根据被侧试件（20）材质选择转杆（5）与横梁（21）销接销孔位置；

2)将游标尺（18）与第一固定卡环（1）、第二固定卡环（2）相连接，并将第一固定卡环（1）及第二固定卡环（2）夹持于被测试件（20）上；将第二柔性索（4）穿过支柱（7）的下端通孔，两端张紧并分别固定于悬臂梁（6）下端及转杆（5）下端；再将第一柔性索（3）一端与转杆（5）上端相连接，另一端依次穿过支柱（7）上端通孔、第二固定卡环（2），张紧并与第一固定卡环（1）相连接；

3)利用惠斯顿电桥原理将桥盒（9）与悬臂梁（6）上部的电阻应变片（10）按全桥接法组成测量电桥；

4)启动试验机，对被测试件（20）施加载荷，被测试件（20）产生变形，进而牵拉带动悬臂梁（6）产生弯曲变形，从而带动电阻应变片（10）变形造成其电阻值发生改变，使测量电桥输出电压信号ΔU；

5)利用试验机数据采集系统读取桥盒（9）输出的电压信号ΔU，根据电测应力、应变实验方法得到悬臂梁（6）在电阻应变片（10）处沿悬臂梁（6）长度方向的线应变ε；代入胡可定律得到该处的弯曲正应力σ；再根据弯曲正应力公式得到悬臂梁（6）上电阻应变片（10）所在截面的弯矩M；弯矩M除以悬臂梁（6）上部电阻应变片（10）所在截面到悬臂梁（6）下端的距离得到悬臂梁（6）下端所受集中力P，将所得集中力P值代入弯曲挠度公式求得悬臂梁（6）下端产生的挠度δ；

6)根据转杆（5）销孔位置分隔转杆（5）上下部长度比例，确定悬臂梁（6）的下端挠度δ与被测试件（20）变形量之间的线性比例系数k，将系数k乘以悬臂梁（6）的挠度δ，从而得出被测试件（20）变形量。

Images