CN114046722A

CN114046722A - 一种位移计

Info

Publication number: CN114046722A
Application number: CN202111187980.7A
Authority: CN
Inventors: 王云峰; 霍鑫龙; 丁学彬; 李文杰; 伊召锋; 刘大伟; 薛彬彬; 黄金宝; 郭强; 申忠硕
Original assignee: CRRC Tangshan Co Ltd
Current assignee: CRRC Tangshan Co Ltd
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-02-15
Anticipated expiration: 2041-10-12
Also published as: CN114046722B

Abstract

本申请实施例中提供了一种位移计，包括支撑座；悬臂梁，悬臂梁沿长度方向的一端与支撑座可拆卸的固定连接，另一端凸出于支撑座设置，以能够沿悬臂梁的垂向发生弹性形变，且悬臂梁伸出支撑座的长度能够调节，使得位移计的量程能够调节；应变测量装置，用于在待测量件垂向移动带动悬臂梁发生的实际应变进行测量；处理装置，用于根据实际应变、预设的应变和垂向位移关系函数得到待测量件的垂向位移。应用该装置，悬臂梁伸出支撑座的长度能够调节，以根据测量需要调节位移计的量程，满足不同待测量件测量位移的需求，提高装置的适用范围；且装置结构简单，便于设置。

Description

一种位移计

技术领域

本申请涉及检测设备技术领域，具体地，涉及一种位移计。

背景技术

位移计是测量结构位移的传感器，广泛应用于航空航天、轨道车辆、机械制造和土木建设等行业。工程领域的常用位移计有固定的使用量程，当位移量大于量程时将无法测量；当位移量远小于位移计标称量程时，测量精度又无法保证。为了保证测量结果有效准确，根据具体情况选用合适量程的位移计，所以需准备各种量程位移计作为储备，这增加了管理压力和资金压力，尤其是野外测量任务，需要携带各量程位移计作为备选，增加了运输成本和破损风险。虽然基于激光设备开发的位移计测量精度高，量程宽，但因为成本高，测试环境要求苛刻等因素，制约了其广泛应用。因此有必要设计一种结构简单、测量准确，使用便捷的可调节量程的位移计来服务位移测量工作。

发明内容

本申请实施例中提供了一种位移计，以解决现有位移计的量程无法调节的问题。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种位移计，包括：

支撑座；

悬臂梁，所述悬臂梁沿长度方向的一端与所述支撑座可拆卸的固定连接，另一端凸出于所述支撑座设置，以能够沿所述悬臂梁的垂向发生弹性形变，且所述悬臂梁伸出所述支撑座的长度能够调节，使得所述位移计的量程能够调节；

应变测量装置，用于对待测量件垂向移动时带动所述悬臂梁发生的实际应变进行测量；

处理装置，用于根据实际应变、预设的应变和垂向位移关系函数得到待测量件的垂向位移。

优选地，还包括：

测量连接件，固定于所述悬臂梁远离所述支撑座的一端，所述测量连接件用于与待测量件固定，且随着所述测量连接件的向上和向下的垂向移动而移动。

优选地，所述测量连接件垂直设于所述悬臂梁的端部边缘处，所述悬臂梁上设有螺纹孔；

所述测量连接件为测量顶针，所述测量顶针的顶部设有安装槽，所述安装槽内设有万向滚珠；所述测量顶针的底部设有外螺纹，用以与所述螺纹孔固定。

优选地，所述万向滚珠为万向磁力滚珠。

优选地，所述悬臂梁为等截面的悬臂梁；

所述处理装置根据公式

计算所述悬臂梁的伸出长度L下的最大量程w_max；

其中，σ_s为所述悬臂梁的梁材料预设屈服极限系数，k_s为预设安全系数，h为所述悬臂梁的梁截面厚度，E为弹性模量，ρ为所述悬臂梁的梁材料密度，g为重力加速度。

优选地，所述处理装置具体用于：

根据实际应变、预设的第一应变和垂向位移关系函数得到待测量件的垂向位移；

所述预设的第一应变和垂向位移关系函数为

其中，ε_g为实际应变，w为垂向位移，S为所述应变测量装置至所述支撑座的固定支点之间的距离，L为所述悬臂梁的伸出长度，h为所述悬臂梁的梁截面厚度，a为所述测量连接件的长度。

优选地，所述处理装置具体用于：

根据实际应变、预设的第二应变和垂向位移关系函数得到待测量件的垂向位移；

所述预设的第二应变和垂向位移关系函数为w_t＝k·ε_t；其中，ε_g为实际应变，w_t为垂向位移，k为当前所述悬臂梁的伸出长度对应的预设系数。

优选地，所述应变测量装置包括：

两个电阻式应变片，两个所述电阻式应变片分别对应固定于所述悬臂梁的中心线相同位置的上表面和下表面；导线连接两个所述电阻式应变片形成临臂半桥电路；

数据采集单元，所述临臂半桥电路接入数据采集单元形成全桥电路进行实际应变的测量。

优选地，所述支撑座包括：

底板；

一组平行设置的侧板，分别固定于所述底板上，所述底板和所述侧板形成限位腔；部分所述悬臂梁位于所述限位腔内，且能够沿所述限位腔的长度方向滑动；

紧固件，固定于所述侧板上、且位于所述悬臂梁的上方，所述紧固件用于将所述悬臂梁和所述底板可拆卸的固定连接。

优选地，所述紧固件包括：

L形板，所述L形板沿长度方向的两端分别与所述侧板对应且固定，所述L形板包括第一板体和第二板体，所述第一板体和所述第二板体垂直设置，所述第一板体平行于所述底板设置；

所述第一板体沿所述支撑座的长度方向设有第一安装槽，所述第一安装槽贯穿所述第二板体，所述第一安装槽和所述第二板体形成用于所述悬臂梁穿过的限位孔；

盖板，固定于所述第一板体的上方，所述盖板上设有用以对所述悬臂梁进行安装的第二安装槽；

若干个螺纹紧固件，一端沿垂向依次穿过所述盖板和所述第一板体，另一端凸出于所述第一板体与所述悬臂梁相抵。

优选地，所述悬臂梁沿长度方向设有若干个量程标记层，用以将所述悬臂梁的伸出长度和最大量程对应。

本申请实施例提供的位移计，包括支撑座；悬臂梁，悬臂梁沿长度方向的一端与支撑座可拆卸的固定连接，另一端凸出于支撑座设置，以能够沿悬臂梁的垂向发生弹性形变，且悬臂梁伸出支撑座的长度能够调节，使得位移计的量程能够调节；应变测量装置，用于在待测量件垂向移动带动悬臂梁发生的实际应变进行测量；处理装置，用于根据实际应变、预设的应变和垂向位移关系函数得到待测量件的垂向位移。

采用本申请实施例中提供的一种位移计，相较于现有技术，具有以下技术效果：

第一，悬臂梁沿长度方向的一端与支撑座可拆卸的固定连接，另一端凸出于支撑座设置，且能够沿悬臂梁的垂向发生弹性形变，悬臂梁伸出支撑座的长度能够调节，以根据测量需要调节位移计的量程，满足不同待测量件测量长度的需要，提高装置的适用范围；且装置结构简单，便于设置；

第二，能够进行双向位移测量，在不增加悬臂梁长度的同时，增加量程范围。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种位移计的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种位移计的爆炸结构示意图；

图3为本申请实施例提供的等截面悬臂梁示意图；

图4为本申请实施例提供的测量顶针偏转的偏转角度示意图；

图5为本申请实施例提供的应变测量电路的电路原理图；

图6为本申请实施例提供的应变测量电路的接线图；

图7为本申请实施例提供的位移计的测量作业示意图。

附图中标记如下：

支撑座1、悬臂梁2、测量连接件3、电阻式应变片4；

底板12、侧板11、紧固件13；

L形板131、盖板132、螺纹紧固件133；

位移计100。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种位移计，以解决现有位移计的量程无法调节的问题。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1-2、7，图1为本申请实施例提供的一种位移计的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种位移计的爆炸结构示意图；图7为本申请实施例提供的位移计的测量作业示意图。

在一种具体的实施方式中，本申请提供的位移计100，包括支撑座1、悬臂梁2、应变测量装置和处理装置。其中，支撑座1可设置为U形壳体或支撑板等结构，其沿长度方向的一端为开口结构，以用于悬臂梁2的安装并为其提供支撑，可以理解的是，支撑座1和悬臂梁2的接触处作为固定支点。悬臂梁2沿长度方向的一端与支撑座1可拆卸的固定连接，如通过螺纹紧固件133固定，悬臂梁2伸出支撑座1的长度能够调节，当调节好悬臂梁2的伸出长度后，可通过螺纹紧固件133将悬臂梁2和支撑座1进行固定。悬臂梁2能够沿其垂向发生弹性形变，以对待测量件的垂向位移进行测量。其中，应变测量装置用于对待测量件垂向移动时带动所述悬臂梁2发生的实际应变进行测量。应变测量装置可设置为电阻式应变片4，电阻式应变片4固定在悬臂梁2的表面，如粘接或其他固定方式。在其他实施例中，可根据需要设置应变测量装置的具体结构，均在本申请的保护范围内。处理装置可具体为处理器、PLC控制器等结构，处理装置根据实际应变、预设的应变和垂向位移关系函数得到待测量件的垂向位移。

采用本申请实施例中提供的一种位移计100，相较于现有技术，具有以下技术效果：

悬臂梁2沿长度方向的一端与支撑座1可拆卸的固定连接，另一端凸出于支撑座1设置，且能够沿悬臂梁2的垂向发生弹性形变，悬臂梁2伸出支撑座1的长度能够调节，以根据测量需要调节位移计100的量程，满足不同待测量件测量长度的需要，提高装置的适用范围；且装置结构简单，便于设置。

在一种实施例中，为了实现位移计100的双向位移测量，本申请还包括测量连接件3，测量连接件3固定于悬臂梁2远离支撑座1的一端，测量连接件3用于与待测量件固定，测量连接件3与待测量件可通过粘接固定，以能够随着测量连接件3的向上和向下的垂向移动而移动；当待测量件沿垂向向下移动时，压着悬臂梁2一起向下移动；当待测量件沿垂向向上移动时，由于测量连接件3与待测量件磁力吸附，待测量件带动悬臂梁2沿垂向向上移动，以实现待测量件的双向位移测量，提高位移计100的测量量程，提高装置的通用性。

优选地，测量连接件3位于悬臂梁2的端部，以使测量连接件3至固定支点的距离相当于悬臂梁2的伸出长度。具体的，测量连接件3垂直设于悬臂梁2的端部边缘处，由此以减少悬臂梁2的伸出长度的计算误差。悬臂梁2上设有螺纹孔，可通过螺纹紧固件133将测量连接件3和悬臂梁2进行固定。在一种实施例中，测量连接件3为测量顶针，测量顶针的顶部设有安装槽，安装槽内设有万向滚珠，万向滚珠在安装槽中能够沿圆心转动；测量顶针的底部设有外螺纹，用以与螺纹孔固定，由此以简化装置结构，降低生产成本。为了能够简化装置并实现测量连接件3和待测量件间的固定，万向滚珠设置为万向磁力滚珠，通过磁力实现与金属的待测量件间的固定。

悬臂梁2可设置为低碳钢，且为等截面梁，测试连接件刚性固定在悬臂梁2的前端，支撑座1为金属方管状，具有一定刚性，为悬臂梁2退回至限位腔内时提供保护，以及为悬臂梁2提供固定支点。

如图3所示，图3为本申请实施例提供的等截面悬臂梁2示意图；在一种具体的实施例中，悬臂梁2为等截面的悬臂梁2，如垂向截面为矩形。具体的，处理装置根据公式

计算悬臂梁2的伸出长度L下的最大量程w_max；其中，σ_s为预设屈服极限系数，k_s为预设安全系数，h为悬臂梁2的梁截面厚度，E为弹性模量，ρ为悬臂梁2的梁材料密度，g为重力加速度。

其中，等截面悬臂梁2在自由端受到垂直向下力作用时，最大应力出现梁在固定支点处上下表面。使用(预设屈服极限系数σ_s/预设安全系数k_s)作为校核标准，同时考虑力f产生的扭矩M_max和梁自身重量产生的扭矩M_Z，应满足

其中，σ_f为力f作用下固定点处梁表面产生的应力，σ_z为梁自身重量对固定点处梁表面产生的应力，根据式(1)，得到位移计最大量程w_max与悬臂梁2的伸出长度L的关系函数

根据式(2)可以在确定位移计量程后，选取梁材质来改变屈服极限、杨氏模量和密度；改变梁的外形厚度和长度进行位移悬臂梁2的设计。

在上述各实施例的基础上，处理装置具体用于：

预设的第一应变和垂向位移关系函数为

其中，ε_g为实际应变，w为垂向位移，S为应变测量装置至支撑座1的固定支点之间的距离，L为悬臂梁2的伸出长度，h为悬臂梁2的梁截面厚度，a为测量连接件3的长度。

具体推导过程为：由于梁向下变形与向上变形计算方法一致，以向下变形为例进行说明，b为梁截面宽度，f为顶针处垂直向下力，w_B为悬臂梁2在力f作用下产生的向下挠度。

因梁的挠度远小于其跨度(梁长度)，即L>>w_B，悬臂梁2在力f作用下产生的向下挠度w_B，截面惯性积I为

根据式(4)和式(5)得到

抗弯截面系数

故，处于悬臂梁2下表面中心线S位置的应力σ_g和应变ε_g为

其中，E为悬臂梁2材料的杨氏模量，将式(6)代入至σ_g和ε_g中，得到梁位移与S处应变关系

其中，w_B为“-”时，表示向下位移；w_B为“+”时，表示向上位移。

如图4所示，图4为本申请实施例提供的测量顶针偏转的偏转角度示意图；进一步地，当测量顶针处受到向下力f作用，悬臂梁2产生向下挠度，测量顶针处产生偏转角，已知测量顶针长度为a时，得到待测量件实际位移与悬臂梁2测量位移之间的关系为

d₁＝d₂+a(1-cosθ)………………………………………………式(8)

悬臂梁2在发生向下位移时，因测量顶针发生转角产生的差值为a(1-cosθ)，θ为指针偏转角，即悬臂梁2测量顶针处的转角，因此

综合式(7)、式(8)和式(9)得到悬臂梁2测量顶针测点处向下位移w与梁上S处应变ε_g关系式

得到测量顶针受到垂直向下的力时，测量顶针处垂向位移与测点应变呈正相关，在梁的尺寸参数已知时，测得S处应变ε_g即可得到测量顶针处垂直向下位移。

在上述各实施例的基础上，处理装置具体用于：

预设的第二应变和垂向位移关系函数为

w_t＝k·ε_t……………………………………………………………式(10)；

其中，

为实际应变，w_t为垂向位移，k为当前悬臂梁2的伸出长度对应的预设系数。

基于梁挠度远小于梁长度假设，从而得到了应变与位移成比例关系，而实际会出现非线性情况；对各种参数设定全部设定为理论值，不考虑加工误差，材料不均匀，不同批次产品性能不稳定等因素。所以有必要在进行使用前对每个量程进行多步长应变-位移采集。而梁本身挠度曲线和挠度变化是连续的，所以梁向下位移与应变也是连续的、无奇点的，通过多步长的应变-位移对应数据拟合得到位移计100每个量程的应变-位移曲线，在各量程使用条件下每个应变值对应的曲线斜率即为应变-位移系数，得到每个位移计100的独立特征。

对于位移计设定量程(w-，w+)时，根据公式(10)，在已知此量程的拟合应变-位移曲线，采集得到试验应变ε_t可以得到位移w_t。

其在各量程内标定拟合-位移曲线，使用拟合曲线得到不同测量点的应变-位移转换系数，使得测试结果更加准确。

在一种实施例中，应变测量装置包括两个电阻式应变片4和数据采集单元，两个电阻式应变片4分别对应固定于悬臂梁2的中心线相同位置的上表面和下表面；两个电阻式应变片4与导线连接形成临臂半桥电路；临臂半桥电路接入数据采集单元形成全桥电路进行实际应变的测量。

在另一实施例中，也可以设置四个电阻式应变片4，通过全桥电路进行测量，均在本申请的保护范围内。

其中，支撑座1包括底板12、紧固件13和一组平行设置的侧板11。侧板11分别固定于底板12上，底板12和侧板11形成限位腔；悬臂梁2位于限位腔内，且能够沿限位腔的长度方向滑动；侧板11垂直于底板12设置，支撑座1为U形结构，且U形结构的一端为开口结构，另一端为闭口结构，悬臂梁2在限位腔中滑动。紧固件13优选固定在侧板11上，紧固件13的长度方向的两端分别与两侧侧板11固定连接，同时，紧固件13设置在悬臂梁2的上方，在调整悬臂梁2的伸出长度后，将悬臂梁2和支撑座1通过紧固件13进行固定，紧固件13用于将悬臂梁2和底板12可拆卸的固定连接，如通过螺纹紧固件133实现固定。

具体的，弹性梁中心线上下表面S处位置粘贴2个电阻应变片4组成临臂半桥电路，接入应变采集系统形成全桥电路进行应变测量，既能排除温度变化对应变测量的影响，又提高了测量精度。本发明测量电路如图5-6所示，图5为本申请实施例提供的应变测量电路的电路原理图；图6为本申请实施例提供的应变测量电路的接线图；其中，A1和A2代表梁正反面的应变片，e为桥路输出电压，E为桥路输入电压；A，B，C分别代表位移计3根信号输出导线，分别接入数据采集系统电路a点，b点，c点。数据采集装置连接电脑，采集本发明产生的应变变化，通过计算得到位移测量值。

由于使用临臂半桥电路，所以采集得到应变为2个应变片应变的差值，所以进行位移计算的应变值ε_t为

具体的，紧固件13包括L形板131、盖板132和若干个螺纹紧固件133。L形板131沿长度方向的两端分别与侧板11对应且固定，L形板131包括第一板体和第二板体，第一板体和第二板体垂直设置，第一板体平行于底板12设置，二者优选为一体式设置，以便于生产加工。第一板体沿支撑座1的长度方向设有第一安装槽，第一安装槽沿长度方向贯穿第二板体和第一板体的连接处，使得第一安装槽和第二板体形成用于悬臂梁2穿过的限位孔，悬臂梁2穿过限位孔设置在第一安装槽中，第一板体和盖板132上分别设有安装孔，安装孔的孔深方向垂直于悬臂梁2设置；螺纹紧固件133一端位于安装孔内，另一端凸出于安装孔与悬臂梁2相抵。盖板132固定于第一板体的上方，盖板132上设有用以对悬臂梁2进行安装的第二安装槽。上述装置结构简单，便于设置。

可以理解的是，L形板131的第一板体与底板12之间留有间隔，悬臂梁2通过第一板体和盖板132实现固定，该种设置方式，使得悬臂梁2沿长度方向的两端均处于悬空状态，固定支点仅为与L形板131的连接处，防止支撑面积过大对悬臂梁2的应变造成干扰，提高测量精度。

在另一种实施例中，悬臂梁2沿长度方向设有若干个量程标记层，用以将悬臂梁2的伸出长度和最大量程对应。此时，可根据选取的最大量程和伸出长度确定预设的应变和垂向位移关系函数的系数，直接进行垂向位移的计算。

在一种具体的实施例中，以下举例说明位移计调整，可以根据具体需要更改参数。

表1位移计参数

项目	数值
		弹性梁伸出最大状态伸出总长L	275mm
弹性梁厚度h	1.5mm
		弹性梁宽度b	20mm
顶针长度a	15mm
		梁伸出最大时应变片到固支点距离S	170mm
弹性梁材质	低碳钢
		弹性模量E	200Gpa
屈服极限σ<sub>s</sub>	345Mpa
		低碳钢密度ρ	7.85g/cm<sup>3</sup>
安全系数k<sub>s</sub>	1.1

将以上位移计参数代入至式(2)，并保证悬臂梁2缩回时，应变片中心距离固定支点至少20mm，避免破损应变片和发生应力集中影响应变结果，计算梁全部伸出的最大单向量程w_max和梁收缩到最小状态最小单向量程w_min，其中，w_max＝50.75mm，w_min＝10.81mm。

以下列举了弹性梁伸出最大长度和最小长度时，获得单向50mm量程和单向10mm量程时应变-位移关系，其中w_B为“-”时，表示向下位移；为“+”时，表示向上位移：

50mm量程位：梁伸出到最大时，将表1位移计参数带入式(3)，得到位移与应变关系

w＝-88.029ε_t+0.015[1-cos(-16.139·ε_t)]

10mm量程位：梁伸出到最大时，将表1位移计参数带入式(3)，得到位移与应变关系

w＝-8.267ε_t+0.015[1-cos(-0.689·ε_g)]

以上为最大量程和最小量程特例，具体使用时弹性梁伸出长度可在275mm～125mm之间进行调节，对应的位移量程调节范围为50mm～10mm，将伸出梁长输入公式(3)进行计算得到应变-位移关系；也可以固定几个量程，计算后在弹性梁上涂画标记，直接使用提前计算的应变-位移关系进行测试。

上述装置可实现一定范围内量程可调，根据测试需求选择合适的量程，使测试数据更加准确。相较已有悬臂梁2式位移计的单向位移测量，增加强力磁滚珠实现了双向位移测量，量程增加100％。

可以根据原理更改位移计各个参数，按照需求制作适用量程、材质和测试环境的位移计。如将整个被测试结构作为弹性梁来使用，获取结构的测量量；有特殊测试环境要求的测试任务，根据设计原理选取合适弹性梁材料来进行测量等。同时，本申请原理简单明了，详细说明了各个部件的作用及各种相关系数对系统的作用，可以根据用户自主选择、更换，可操作性强。

可应用于狭小空间的位移测量。在测量位移方向安装空间要求小，可用于狭缝间的位移测量。需要注意的是，若为非金属被测物，需在测量位置粘贴金属片，配合强力磁珠紧密磁吸在被测物表面，实现双向测量。可以配合任何能够采集应变数据的采集系统使用，对采集系统适用性强。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种位移计，其特征在于，包括：

支撑座；

2.根据权利要求1所述的位移计，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的位移计，其特征在于，所述测量连接件垂直设于所述悬臂梁的端部边缘处，所述悬臂梁上设有螺纹孔；

4.根据权利要求3所述的位移计，其特征在于，所述万向滚珠为万向磁力滚珠。

5.根据权利要求1所述的位移计，其特征在于，所述悬臂梁为等截面的悬臂梁；

所述处理装置根据公式

计算所述悬臂梁的伸出长度L下的最大量程w_max；

6.根据权利要求2-4任一项所述的位移计，其特征在于，所述处理装置具体用于：

所述预设的第一应变和垂向位移关系函数为

7.根据权利要求2-4任一项所述的位移计，其特征在于，所述处理装置具体用于：

8.根据权利要求1所述的位移计，其特征在于，所述应变测量装置包括：

9.根据权利要求1所述的位移计，其特征在于，所述支撑座包括：

底板；

10.根据权利要求9所述的位移计，其特征在于，所述紧固件包括：

11.根据权利要求1-10任一项所述的位移计，其特征在于，所述悬臂梁沿长度方向设有若干个量程标记层，用以将所述悬臂梁的伸出长度和最大量程对应。