CN100483067C - 混凝土温度-应力试验机的位移测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明混凝土温度-应力试验机的位移测量装置，设有两套相同的测量子系统，它们对称地分布在混凝土的试件(1)中轴线的两边，每个子系统由激光位移传感器(5)和与试件中轴线平行的碳纤维棒(3)组成；碳纤维棒的一端由固定座(2)装在试验机的主机座上，另一端安装激光位移传感器，其棒体则由主机座上的若干个导向座(4)活动支撑；激光位移传感器发射的激光(7)与试件中轴线平行，激光射到活动端的测量点(8)后返回；本装置测量的数字量由数字接口(6)传送至上位机或显示单元处理。本装置采用非接触式的测量方式，能够对混凝土试件进行激光三角法测量或激光干涉法测量，并且具有位移测量精度高和抗干扰能力强等优点。

Description

混凝土温度-应力试验机的位移测量装置及其应用

技术领域

本发明涉及测量领域，特别是一种混凝土温度-应力试验机的位移测量装置及其应用，该装置为无接触式激光位移测量装置。

背景技术

约束可调式单轴温度-应力试验机是一种研究混凝土早期的水化特性、应力发展、变形模量以及徐变等特性的设备。对混凝土试件施加一定的拉压力或者改变试件的温度，混凝土试件都将产生一定的形变量。

目前在国内外只有少数几家公司和大学在从事此产品的开发。在国外，有日本的东京大学和瑞士等相关科研机构在开发该试验机。在国内，目前只有清华大学土木工程系建筑材料研究所已经开发了该试验机。但是，国内外在该试验机的位移测量装置上都采用了接触式测量装置。

混凝土试件形变量的测量精度直接影响约束可调式单轴温度-应力试验机的性能。测量精度越高，测量的数据越能更加有效和准确的反映混凝土受温度和拉压力变形的特性。目前在接触式测量装置中，采用的是接触式位移传感器直接固定在机座上，测量探头接触在试验机的活动端上的方式。当活动端内的试件变形时，活动端和测量探头也相应产生位移。这种测量方式的误差有三部分组成：位移传感器自身的测量误差、接触点形变产生的误差以及机座形变产生的误差。因此接触式位移测量装置的测量误差为以上三者误差之和。

在接触点形变产生的误差方面，由于混凝土试件的形变量处于0.05～10μm之间，接触点形变量处于0.01～1μm之间，因此接触点形变产生的误差在0.1％～10％之间，即在最坏的情况下，接触点形变产生的误差为10％，则测量的数据严重失真。另一方面，混凝土试件的形变量和接触点形变量存在着重叠的区间，因此一旦混凝土试件的形变量处于0.01～1μm之间，在最坏的情况下，测量的数据反映的完全是接触点的形变量，而不是混凝土试件的形变量，因此这种接触式测量方式的测量量程的下限是1μm，即接触式测量方式测量量程为1～10μm之间，因此接触点形变将限制整个测量系统的测量量程，从而限制了试验机的功能，使试验机无法有效的对高强度混凝土进行研究。

在机座形变产生的误差方面，由于目前采用的是位移传感器直接固定在机座上的方式，但是机座通常会受温度和拉压力产生一定的形变，这种形变处于0.005～0.1μm之间，产生的误差为0.05％～1％，当位移传感器的测量精度为0.5％时，整个测量系统的测量精度仍将大于1.5％。

另外，由于混凝土试件受力后在水平面会产生摆动，目前接触式测量装置还没有考虑到这种摆动对测量精度的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种混凝土温度-应力试验机的位移测量装置及其应用。在非接触的状态下，该装置测量的数据反映的是混凝土试件的形变量，从而能够真实的反映试验的结果。

本发明解决其技术问题采用如下的技术方案：

本发明提供的混凝土温度-应力试验机的无接触式激光位移测量装置，设有两套相同的测量子系统，它们对称地分布在混凝土的试件中轴线的两边，每个子系统设有激光位移传感器，每个子系统还设有与试件中轴线平行的碳纤维棒，碳纤维棒的一端由固定座装在试验机的主机座上，另一端即靠近试件的活动端处安装激光位移传感器，该碳纤维棒的棒体则由固定在主机座上的若干个导向座活动支撑；激光位移传感器发射的激光与试件中轴线平行。

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件进行激光三角法测量，具体是：激光发射器的光束经过聚焦透镜聚焦后，射到混凝土试件的活动端的某一点后，散射的部分光束经过成像透镜后射到电荷耦合器件上；当活动端在光束方向上移动了位移x后，相应的在电荷耦合器件的位移y计算出来，反射的激光在电荷耦合器件上形成的焦点会随着混凝土试件的形变而发生相应的位移，电荷耦合器件感应焦点的位置坐标，并由主控制电路转换成相应的数字量，取两套测量子系统测量位移量的平均值，然后经数字接口将测量的数字量传到E位机或显示单元；

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件进行激光三角法测量时，混凝土试件的形变量为：

γ＝(y₁+y₂)/2，

公式中：y₁、y₂分别是两套子系统测量的活动端的位移量。

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件进行激光干涉法的测量，具体是：由激光发射器发出的激光束经起偏器和1/4波片到达分光镜后分成两条光束，一条为反射光束，另一条为透射光束；反射光束经前置透镜和固定反射镜后反射回到分光镜，透射光束经过前置透镜到达混凝土试件的活动端后反射回来到达分光镜，这两条光束在分光镜处发生干涉；活动端每移动γ/2距离，透射光束的光程就改变了一个波长γ，于是干涉点就产生一个周期的明暗变化，这个变化为混凝土试件的位移量y，电荷耦合器件感应干涉点的变化，主控制电路将电荷耦合器件感应的电信号转换成数字量，取两套测量子系统测量位移量的平均值，然后经数字接口将测量的数字量传到上位机或显示单元；

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件进行激光干涉法测量时，混凝土试件的形变量为：

y＝k·γ/2，

公式中：k为活动端(9)移动时干涉点变化的周期数，γ为波长。

本发明与现有技术相比具有如下主要的有益效果：

其一.不存在接触点，消除了接触点形变产生的误差，提高了测量的精度，扩宽了测量的量程。

其二.采用温度形变系数小的碳纤维棒固定激光位移传感器，可消除机座形变产生的误差对位移传感器测量精度的影响。

其三.整个无接触式测量装置的测量误差和量程完全取决于激光位移传感器的误差和量程，且整个无接触式测量装置的分辨率不低于0.01μm，测量误差为0.03％，测量量程下限小于0.05，上限大于10μm。测量的数据反映的是混凝土试件的真实的试验结果。

其四.测量结果采用数字化接口传输，抗干扰能力强。

其五.采用两套相同的测量子系统，测量结果取两套测量子系统的平均值，消除了混凝土试件受力后在水平面内摆动带来的测量误差。

附图说明

图1是混凝土温度-应力试验机的位移测量装置平面示意图。

图2是导向座4的左视图。

图3是导向座4的俯视图。

图4是激光三角法测量位移原理。

图5是激光干涉测量位移原理图。

具体实施方式

本发明提供的装置是一种混凝土温度-应力试验机的无接触位移测量装置。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.混凝土温度-应力试验机的无接触式激光位移测量装置

其结构如图1、图2和图3所示：设有两套相同的测量子系统，它们对称地分布在混凝土的试件1中轴线的两边，每个子系统由激光位移传感器5和与试件1中轴线平行的碳纤维棒3组成。碳纤维棒3的一端由固定座2装在试验机的主机座上，另一端即靠近试件1的活动端9处安装激光位移传感器5，其棒体则与若干个导向座4活动支撑，这样棒体可以在导向座4的导向孔11内沿棒体轴向方面自由移动。导向座4由螺栓通过孔10使其固定在主机座上。激光位移传感器5发射的激光7与试件1中轴线平行，激光7射到活动端9的测量点8后返回。本装置测量的数字量由数字接口6传送至上位机或显示单元处理。

上述碳纤维棒3可由聚丙烯腈基碳纤维制成，其长度为0.5～1.5m，直径为0.5～2cm。数字接口6可选择RS485接口、RS232接口和USU接口中的一种接口。

本装置的测量精度高，不低于0.01μm。

二.混凝土温度-应力试验机的无接触式激光位移测量装置的应用

实施例一：无接触式测量装置采用激光三角测量法

如图4所示：激光发射器12的光束经过聚焦透镜13聚焦后，射到混凝土试件1的活动端9的某一点后，散射的部分光束经过成像透镜14后射到电荷耦合器件15上。当活动端9在光束方向上移动了位移x后，相应的在电荷耦合器件15的位移y可计算出来。如图4直线AD垂直于直线BO，三角形ABO的面积为：

S＝AD·BO＝AB·AO·sin(π-φ)           (1)

又有余弦定理得：

BO²＝AB²+AO²+2·AB·AO·cosφ                (2)

整理得：

$\mathrm{AD}=\mathrm{AB}\·\sin \mathrm{\φ}\·\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{AO}}\right)}^2+2\·\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{AO}}\·\cos \mathrm{\φ}+1}}---\left(3\right)$

当成像透镜14横向放大倍率为β时，即：

y＝β·AD                                      (4)

则

$y=\mathrm{\β}\·\mathrm{AB}\·\sin \mathrm{\φ}\·\sqrt{\frac{1}{{\left(\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{AO}}\right)}^2+2\·\frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{AO}}\·\cos \mathrm{\φ}+1}}---\left(5\right)$

因为AB远小于A0，则有：y＝β·x。

反射的激光在电荷耦合器件15上形成的焦点会随着混凝土试件1的形变而发生相应的位移，电荷耦合器件15可以感应焦点在传感器上的位置坐标，主控制电路16将电荷耦合器件15感应的信号转换成相应的数字量，数字接口6将测量的数字量传到上位机或显示单元。

为了减小活动端9受力后在沿中轴线的水平面内摆动带来的误差，试件的形变量取两套测量子系统测量位移量的平均值，即试件的形变量γ＝(y₁ ⁺y₂)/2，其中y₁、y₂分别是两套子系统测量的活动端9的位移。

实施方式二：无接触式测量装置采用干涉测量法

如图5所示：由激光发射器17发出的激光束经起偏器18和1/4波片19到达分光镜22后分成两条光束，一条为反射光束，另一条为透射光束。反射光束经前置透镜20和固定反射镜21后，反射回到分光镜22。透射光束经前置透镜23到达混凝土试件1的活动端9后反射回来到达分光镜22，反射光束和透射光束在分光镜22处发生干涉后经过聚焦透镜24后在电荷耦合器件25上形成焦点。

由于反射光束的光程长度不变.而透射光束的光程长度是随活动端9的移动而改变的。因此当两束光的光程差是激光半波长的偶数倍时，光束相互叠加而加强，在电荷耦合器件25上形成亮点；当光程差是激光半波长的奇数倍时，两束光波相互抵消，在电荷耦合器件25上形成暗点。结果，两束合成光的强度加强或减弱，是两束光的光程差来决定的。而反射光束的光程是固定不变的，透射光束的光程则随活动端9的移动距离变化，为此，干涉点的明暗变化，直接可以测量活动端9的位移变化。

活动端9每移动γ/2距离，透射光束的光程就改变了一个波长γ，于是干涉点就产生一个周期的明暗变化，这个明暗变化可由主控制电路26转换成数字量。所以，由活动端9移动时的干涉点变化的周期数k就可获得被测物体的位移量y，即：y＝k·γ/2。

取两套测量子系统测量位移量的平均值，然后经数字接口电路6将测量的数字量传到上位机或显示单元。

Claims (5)

1.一种混凝土温度-应力试验机的无接触式激光位移测量装置，设有两套相同的测量子系统，它们对称地分布在混凝土的试件(1)中轴线的两边，每个子系统设有激光位移传感器(5)，其特征是每个子系统还设有与试件(1)中轴线平行的碳纤维棒(3)，碳纤维棒(3)的一端由固定座(2)装在试验机的主机座上，另一端即靠近试件(1)的活动端(9)处安装激光位移传感器(5)，该碳纤维棒的棒体则由固定在主机座上的若干个导向座(4)活动支撑；激光位移传感器(5)发射的激光(7)与试件(1)中轴线平行，

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件(1)进行激光三角法测量，具体是：激光发射器(12)的光束经过聚焦透镜(13)聚焦后，射到混凝土试件(1)的活动端(9)的某一点后，散射的部分光束经过成像透镜(14)后射到电荷耦合器件(15)上；当活动端(9)在光束方向上移动了位移x后，相应的在电荷耦合器件的位移y计算出来，反射的激光(7)在电荷耦合器件(15)上形成的焦点会随着混凝土试件(1)的形变而发生相应的位移，电荷耦合器件(15)感应焦点的位置坐标，并由主控制电路(16)转换成相应的数字量，取两套测量子系统测量位移量的平均值，然后经数字接口(6)将测量的数字量传到上位机或显示单元；

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件(1)进行激光三角法测量时，混凝土试件(1)的形变量为：

γ＝(y₁+y₂)/2，

公式中：y1、y2分别是两套子系统测量的活动端(9)的位移量。

2.根据权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于：碳纤维棒(3)由聚丙烯腈基碳纤维制成，其长度为0.5～1.5m，直径为0.5～2cm。

3.根据权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于：数字接口(6)为RS485接口、RS232接口中的一种。

4.根据权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于所述的位移测量装置，其测量精度不低于0.01μm。

5.一种混凝土温度-应力试验机的无接触式激光位移测量装置，设有两套相同的测量子系统，它们对称地分布在混凝土的试件(1)中轴线的两边，每个子系统设有激光位移传感器(5)，其特征是每个子系统还设有与试件(1)中轴线平行的碳纤维棒(3)，碳纤维棒(3)的一端由固定座(2)装在试验机的主机座上，另一端即靠近试件(1)的活动端(9)处安装激光位移传感器(5)，该碳纤维棒的棒体则由固定在主机座上的若干个导向座(4)活动支撑；激光位移传感器(5)发射的激光(7)与试件(1)中轴线平行，

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件(1)进行激光干涉法的测量，具体是：由激光发射器(17)发出的激光束经起偏器(18)和1/4波片(19)到达分光镜(22)后分成两条光束，一条为反射光束，另一条为透射光束；反射光束经前置透镜(20)和固定反射镜(21)后反射回到分光镜(22)，透射光束经过前置透镜(23)到达混凝土试件(1)的活动端(9)后反射回来到达分光镜(22)，这两条光束在分光镜(22)处发生干涉；活动端(9)每移动γ/2距离，透射光束的光程就改变了一个波长γ，于是干涉点就产生一个周期的明暗变化，这个变化为混凝土试件(1)的位移量y，电荷耦合器件(25)感应干涉点的变化，主控制电路(26)将电荷耦合器件(25)感应的电信号转换成数字量，取两套测量子系统测量位移量的平均值，然后经数字接口(6)将测量的数字量传到上位机或显示单元；

利用上述的无接触式激光位移测量装置对混凝土试件(1)进行激光干涉法测量时，混凝土试件(1)的形变量为：

y＝k·γ/2，

公式中：k为活动端(9)移动时干涉点变化的周期数，γ为波长。

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