CN100570273C - 一种电阻应变式直径测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电阻应变式直径测量装置及其使用方法，测量装置包括带有一对刀口的双悬臂梁电阻应变式传感器、U形支座以及电阻应变测量仪器。U形支座用于支持传感器，并为试样提供定位约束，U形支座上水平安装有圆柱导杆，顶部装有定位弹子或V形槽。传感器可以在导杆上移动。导杆底部有导向限位槽，传感器底部有导向限位销，二者配合，使传感器的刀口处于导杆的正上方，并可绕导杆轴线作小角度转动；测量时，试样利用自重自动就位，并落入刀口之间，使悬臂梁产生挠曲变形，电阻应变测量仪器显示并记录试样的直径值。本发明测量装置结构简单、使用方便、精度高、重复性好，可以方便地与计算机联机应用，因此适应测量技术数字化的发展要求。

Description

一种电阻应变式直径测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种测量直径的装置及方法，尤其是电阻应变式直径测量装置及其使用方法，属测量技术及力学试验技术领域。

背景技术

在材料力学性能试验中，需要测量试样的横截面尺寸，对于圆截面试样，就是要测量试样的直径。例如碳素钢等金属材料的拉伸力学性能试验，要求在试样的标距范围内测量3个不同截面的6个直径数据(《工程力学实验》，范钦珊等编著，高等教育出版社，2006年5月)。到目前为止，在企业、学校及科研单位的力学实验室中，一般都是采用游标卡尺测量试样的直径。这种手工测量方法虽然简单，但也存在明显的缺点：一是重复性较差，因为手工测量得到的数据难免带有人身误差和与操作技能有关的随机误差；二是当试样数量较多时，手工测量费时、费力的问题就会变得严重起来，不仅影响工作效率，而且随机误差也会增加，导致试验质量降低。现在已有少量材料试验机，例如德国Zwick公司生产的材料试验机，配备有直径自动测量装置。但是，这类装置比较昂贵，一般用户是难以接受的。

发明内容

本发明的目的是为材料力学性能试验中圆截面试样以及其它类似对象的直径测量提供一种结构简单、使用方便、精度高、重复性好并且适合于数字化应用的电阻应变式直径测量装置及其测量方法。

本发明提供的电阻应变式直径测量装置，包括由底板和两根立柱构成的U形支座，双悬臂梁电阻应变式传感器，电阻应变测量仪器和带有导向限位槽的圆柱导杆，圆柱导杆水平紧固在U形支座的两根立柱上，其导向限位槽朝向底部正下方，双悬臂梁电阻应变式传感器位于两根立柱之间，通过其支撑板上的孔以孔轴配合方式安装在圆柱导杆上，双悬臂梁电阻应变式传感器的支撑板底部有一垂直的带螺纹导向限位销，导向限位销的光柱部分伸入圆柱导杆的导向限位槽中，并与导向限位槽间隙配合，使双悬臂梁电阻应变式传感器可以绕圆柱导杆的轴线相对于圆柱导杆的纵向对称面作小角度双向转动，在导向限位销的螺纹上配合有锁紧螺母，双悬臂梁电阻应变式传感器的两根垂直悬臂梁的自由端分别设置有刀口，两悬臂梁上的一对刀口平行相隔，每一悬臂梁的根部沿梁的轴线方向对称布置两枚感受悬臂梁弯曲线应变的电阻应变计，两悬臂梁上的四枚电阻应变计以全桥形式与电阻应变测量仪器连接，每根立柱的顶部或设有两枚弹子或为V形槽构成试样支座。

为保证测量精度，通常使刀口为三角形截面的块体，一对刀口相隔的间距小于被测试样最小直径0.1～0.15mm。双悬臂梁电阻应变式传感器的两悬臂梁为矩形截面的直杆。

电阻应变式直径测量装置的使用方法，包括标定和测量，步骤如下：

1)用标准直径规组标定测量装置：标准直径规组包含数量为奇数的若干个不同直径的标准直径规，其中的最小直径值比双悬臂梁电阻应变式传感器上的刀口间距大0.1～0.15mm，而居中的直径值等于待测试样的公称直径；分别将各标准直径规自上而下放入双悬臂梁电阻应变式传感器的刀口，定位在试样支座上，记下电阻应变测量仪器的各次读数ε_r，然后利用最小二乘法求出直径值d与电阻应变测量仪器的读数ε_r的拟合方程

ε_r＝Ad+B

式中A和B是用最小二乘法得到的常数；

2)测量试样直径：将试样自上而下放入双悬臂梁电阻应变式传感器的刀口，定位在试样支座上，记下电阻应变测量仪器的读数ε_r，然后用公式

$d=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-B}{A}$

计算试样的直径；用手转动试样，测定试样同一截面上不同方位的直径；用手推双悬臂梁电阻应变式传感器，使其沿圆柱导杆的轴线滑动，测定试样不同截面的直径。

本发明的测量原理是：直径不同的试样会引起双悬臂梁电阻应变式传感器上的悬臂梁产生不同大小的弹性变形，悬臂梁上的电阻应变计通过应变电桥将变形信号转化为电量信号，送入电阻应变测量仪器；应变电桥与电阻应变测量仪器均为线性系统，因此电阻应变测量仪器的读数值与试样的直径成正比；在测量前，用标准器对测量系统进行标定，则测量时，电阻应变测量仪器给出试样直径相对于标准器的改变量，从而得到试样的直径值。设双悬臂梁电阻应变式传感器的两悬臂梁为矩形截面的直杆，二者完全对称。按材料力学弯曲理论及电阻应变式传感器理论，当试样进入刀口并定位在试样支座上时，刀口间距发生变化，电阻应变测量仪器的读数值改变量Δε_r为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{3h(L-x)\mathrm{\Δd}}{L^3}=\mathrm{\η\Δd}---\left(1\right).$

式中h是悬臂梁的厚度；L是刀口与试样接触点到悬臂梁根部的距离；x是电阻应变计中心点到悬臂梁根部的距离；Δd是试样直径d与刀口原有间距之差，即刀口与试样接触点之间的长度改变量；η反映测量灵敏度，称为灵敏系数。

测量时，将试样从试样支座和双悬臂梁电阻应变式传感器的上方放入双悬臂梁电阻应变式传感器的刀口，试样能够利用本身的自重定位在试样支座上。试样进入刀口后，刀口间距变大，悬臂梁产生挠曲变形，使电阻应变测量仪器的读数随之改变。

放置在试样支座上的试样可以绕自身轴线作自由转动，而双悬臂梁电阻应变式传感器能够在圆柱导杆上滑动。因此，用手转动试样，就可以测定试样同一截面上不同方位的直径，使双悬臂梁电阻应变式传感器沿圆柱导杆的轴线移动，则可以测定试样不同截面的直径。

本发明的有益效果：

1、利用双悬臂梁电阻应变式传感器和电阻应变测量仪器测量配合测量试样的直径，测量分辨率可以达到或超过0.001mm，比目前普遍使用的游标卡尺提高一个数量级(游标卡尺的分辨率为0.02mm，或0.01mm)。

2、由带有一对平行刀口的双悬臂梁电阻应变式传感器与顶部装有定位弹子或V形槽的U形支座配合实现试样的定位测量，并且利用双悬臂梁电阻应变式传感器的小角度双向转动自由度使试样自动协调就位，从而保证试样定位准确，测量数据的重复性好。

3、可以有效地提高材料力学性能试验中圆截面试样的直径测量精度。

4、本发明的测量装置结构简单，可靠性好，试样装、卸简便，以数字形式显示直径测量值，并可自动记录数据，因此能够显著提高批量测量的工作效率，降低劳动强度。

5、由于采用了电阻应变测量仪器，可以方便地与计算机虚拟仪器联机应用，因此适应测量技术数字化的发展要求。

附图说明

图1是电阻应变式直径测量装置的构造示意图；

图2是电阻应变式直径测量装置的主体装配图及试样定位原理图；

图3是圆柱导杆的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明发明。

参照附图，本发明的电阻应变式直径测量装置包括由底板5和两根立柱6构成的U形支座，双悬臂梁电阻应变式传感器2，电阻应变测量仪器3和带有导向限位槽10的圆柱导杆8，圆柱导杆8水平紧固在U形支座的两根立柱上，其导向限位槽10朝向底部正下方，这里，圆柱导杆8的两端加工有螺纹，由两枚螺母9将圆柱导杆8固紧定位。导向限位槽10的长度，决定双悬臂梁电阻应变式传感器2的移动范围，根据被测试样的标距长度确定。双悬臂梁电阻应变式传感器2位于两根立柱之间，通过其支撑板上的孔以孔轴配合方式安装在圆柱导杆8上，并且可以在圆柱导杆8上作轴向移动。双悬臂梁电阻应变式传感器2的支撑板底部有一垂直的带螺纹导向限位销11，导向限位销11的光柱部分伸入圆柱导杆8的导向限位槽10中，并与导向限位槽10间隙配合，使双悬臂梁电阻应变式传感器2可以绕圆柱导杆8的轴线相对于圆柱导杆的纵向对称面作小角度双向转动，在导向限位销11的螺纹上拧有锁紧螺母12，用于固定导向限位销11。双悬臂梁电阻应变式传感器2的两根垂直悬臂梁13的自由端分别设置有刀口1，图例中，刀口1选择耐磨性好的材料制作成三角形截面的块体，用螺钉16固定在悬臂梁13的自由端内侧。两悬臂梁为矩形截面的直杆。两悬臂梁13上的一对刀口平行相隔，刀口相隔的间距小于被测试样4最小直径0.1～0.15mm。例如，对于最小直径为9.90mm的试样，刀口间距可以取为9.80mm。每一悬臂梁13的根部沿梁的轴线方向对称布置两枚感受悬臂梁弯曲线应变的电阻应变计14，用于感受悬臂梁13的弯曲线应变。两悬臂梁上的四枚电阻应变计14以全桥形式与电阻应变测量仪器3连接，电阻应变测量仪器3可以采用普通数字式电阻应变仪。每根立柱6的顶部或设有两枚弹子7或为V形槽构成试样支座，为试样4提供四点定位约束。此例，在每根立柱6的顶部加工有两个沉孔15，定位弹子7以紧配合方式装配在沉孔15内，落入沉孔15的深度略大于定位弹子7的半径。可以采用光滑钢珠，例如球轴承的滚子，作为定位弹子7。

电阻应变式直径测量装置的使用包括标定和测量两步。标定的作用，是得到电阻应变测量仪器的读数ε_r与试样直径d的函数关系。标定采用标准直径规组作为标准器，标准直径规组包含若干个不同直径的标准直径规，标准直径规的数量为奇数，例如5或7。各标准直径规的直径大小一般按等差规律排列，其中的最小直经值比双悬臂梁电阻应变式传感器上的刀口间距大0.1～0.15mm，，而居中的直径值应该等于待测试样的公称直径。例如，设待测试样的公称直径为10mm，公差为±0.05mm，测量所要求的精度为0.01mm，可以取标准直径规的数量为5，直径依次为9.900mm，9.950mm，10.000mm，10.050mm，10.100mm。标定时，将各标准直径规依次放入测量装置的试样支座，使双悬臂梁电阻应变式传感器的刀口间距产生不同大小的变化，并记下电阻应变测量仪器的读数。然后利用最小二乘法求出直径值d与电阻应变测量仪器读数ε_r的拟合方程

ε_r＝Ad+B    (2)，

式中A和B是用最小二乘法得到的常数。

测量时，将试样4自上而下放入双悬臂梁电阻应变式传感器2的刀口1，并定位在试样支座上，记下电阻应变测量仪器的读数ε_r，然后用公式

$d=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-B}{A}---\left(3\right)$

计算试样的直径。电阻应变测量仪器3也可以与计算机虚拟仪器连接，由计算机虚拟仪器利用软件自动完成公式(3)的运算，记录并直接显示试样的直径。用手转动试样，可以测定试样同一截面上不同方位的直径。用手推双悬臂梁电阻应变式传感器，使其沿圆柱导杆的轴线滑动，可以测定试样不同截面的直径。

Claims (4)

1.一种电阻应变式直径测量装置，其特征是包括由底板(5)和两根立柱(6)构成的U形支座，双悬臂梁电阻应变式传感器(2)，电阻应变测量仪器(3)和带有导向限位槽(10)的圆柱导杆(8)，圆柱导杆(8)水平紧固在U形支座的两根立柱上，其导向限位槽(10)朝向底部正下方，双悬臂梁电阻应变式传感器(2)位于两根立柱之间，通过其支撑板上的孔以孔轴配合方式安装在圆柱导杆(8)上，双悬臂梁电阻应变式传感器(2)的支撑板底部有一垂直的带螺纹导向限位销(11)，导向限位销(11)的光柱部分伸入圆柱导杆(8)的导向限位槽(10)中，并与导向限位槽(10)间隙配合，使双悬臂梁电阻应变式传感器(2)可以绕圆柱导杆(8)的轴线相对于圆柱导杆的纵向对称面作小角度双向转动，在导向限位销(11)的螺纹上配合有锁紧螺母(12)，双悬臂梁电阻应变式传感器(2)的两根垂直悬臂梁(13)的自由端分别设置有刀口(1)，两悬臂梁(13)上的一对刀口(1)平行相隔，每一悬臂梁(13)的根部沿梁的轴线方向对称布置两枚感受悬臂梁弯曲线应变的电阻应变计(14)，两悬臂梁上的四枚电阻应变计(14)以全桥形式与电阻应变测量仪器(3)连接，每根立柱(6)的顶部或设有两枚弹子(7)或为V形槽构成试样支座。

2.根据权利要求1所述的电阻应变式直径测量装置，其特征是刀口(1)为三角形截面的块体，一对刀口(1)相隔的间距小于被测试样(4)最小直径0.1～0.15mm。

3.根据权利要求1所述的电阻应变式直径测量装置，其特征是双悬臂梁电阻应变式传感器(2)的两悬臂梁为矩形截面的直杆。

4.根据权利要求1所述的电阻应变式直径测量装置的使用方法，包括标定和测量，步骤如下：

1)用标准直径规组标定测量装置：标准直径规组包含数量为奇数的若干个不同直径的标准直径规，其中的最小直径值比双悬臂梁电阻应变式传感器(2)上的刀口间距大0.1～0.15mm，而居中的直径值等于待测试样(4)的公称直径；分别将各标准直径规自上而下放入双悬臂梁电阻应变式传感器(2)的刀口(1)，定位在试样支座上，记下电阻应变测量仪器(3)的各次读数ε_r，然后利用最小二乘法求出直径值d与电阻应变测量仪器(3)的读数ε_r的拟合方程

ε_r＝Ad+B

式中A和B是用最小二乘法得到的常数；

2)测量试样直径：将试样(4)自上而下放入双悬臂梁电阻应变式传感器(2)的刀口(1)，定位在试样支座上，记下电阻应变测量仪器(3)的读数ε_r，然后用公式

$d=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-B}{A}$

计算试样(4)的直径；用手转动试样(4)，测定试样同一截面上不同方位的直径；用手推双悬臂梁电阻应变式传感器(2)，使其沿圆柱导杆(8)的轴线滑动，测定试样不同截面的直径。

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