CN102066870A - 用于测量试样长度变化的接触式位移传感器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在机械地测量试样的由于伸长而发生的长度变化时所使用的接触式位移传感器。本发明还涉及利用这种接触式位移传感器来测量试样的长度变化的方法、利用这种接触式位移传感器来测量试样的长度变化的系统以及这种接触式位移传感器的用于测量试样长度变化的用途。该接触式位移传感器包括与试样接触的主体。根据本发明，主体可转动地被支撑并经过设置，从而在试样拉断时该试样使得主体旋转。试样在拉断时使得主体旋转，由此仅有少量能量传递到接触式位移传感器上，该接触式位移传感器因而不会过载或受损。

Description

用于测量试样长度变化的接触式位移传感器及其使用方法

本发明涉及一种在机械地测量试样的由于伸长而发生的长度变化时所使用的接触式位移传感器（Ansatzwegaufnehmer）。本发明还涉及利用这种接触式位移传感器来测量试样的长度变化的方法、利用这种接触式位移传感器来测量试样的长度变化的系统以及这种接触式位移传感器的用途。

在机械的长度变化测量方法中，其中接触式位移传感器与试样接触，接触式位移传感器无间隙地且非常易于移动地被支撑，以便在有待测量的长度变化的方向上确保非常严格的且无间隙的位移传递。接触式位移传感器压紧到试样上的压紧力应尽可能地小，以便在很大程度上不影响对刻痕敏感（kerbempfindlich）的试样的延展特性和断裂特性。

因此，接触式位移传感器的支撑机构及其测量传感器系统对过载非常敏感，例如在试样伸长拉断，试样残余不可控地反冲，并冲击到接触式位移传感器时，就会出现所述过载。这特别是在检查弹性很大且富有能量的材料如弹性体时会造成局部受损严重，无论接触式位移传感器还是整个测量系统都会受损。

由DE 7804241 U1已知一种用于测量受到拉应力或压应力的试样的长度变化的长度变化传感器。这种传感器具有两对可调节地支撑的测量触头，测量触头以触头前端上的测量刀（Maßschneiden）可直接与试样接触，并传递两个测量触头对之间所发生的距离变化，用于产生相应的测量信号。测量刀位于刀件上，测量刀件可摆动地支撑在测量触头的前端上，其中刀件的摆动轴线基本上垂直于有待测量的距离变化的方向。在刀件的测量位置，刀件的测量刀在每个测量触头对上彼此相向，利用取决于力的固定装置来限定所述测量位置，在预先给定作用于刀件上的摆动力矩的大小的情况下，所述固定装置允许刀件围绕其摆动轴线摆动。

如此设计的长度变化传感器的缺点是，测量刀顶靠其固定装置摆动，于是将所产生的力传递到测量触头上，因而会损伤测量触头。在刀件无法再摆动回去，进而必须手动地维修和调整设备时，也会产生损伤。这在自动分析的实验室中会造成产能下降，特别是如果在整夜进行测试时设备停机，且不能检查试样，直到明天早上。

此外已知一种测量触头，其具有很小的带滚花的黄铜小滚轮，滚轮带有一体的棘轮机构，由于其构造设计，有很大的力传递到测量触头上。而且棘轮机构很繁琐，且由于在圆周上分布有啮合点和死点而没有连续的传递特性。公知的光学位移传感器尽管能避免机械损伤的危险，但缺点是，不能可靠地形成超过1000％的延展范围，因为所需要的试样标记是个问题。

因此希望能有这样一种接触式位移传感器，其中在试样伸长拉断并反冲时，对这种接触式位移传感器或测量传感器系统造成的损伤比较小，或者甚至不会造成损伤。还希望能有这样一种用于测量试样的长度变化的方法，其中能自动地测量富有能量的弹性体试样，而受到的干扰很小。

因此，根据本发明提出一种在机械地测量试样的由于伸长而发生的长度变化时所使用的接触式位移传感器，其包括与旋转对称的主体连接的接触指，其中主体可转动地被支撑，主体的转动轴线也是主体的几何旋转轴线，主体具有围绕其旋转轴线形成的圆周面，试样可以与该圆周面接触。

按照本发明设计的、可调节地支撑的接触式位移传感器包括与旋转对称的主体连接的接触指。旋转对称的主体优选通过其横截型面围绕其几何旋转轴线完整地旋转而形成。主体围绕其几何旋转轴线可转动地支撑，由此在每次重复测量过程之前避免为校正和/或维修接触式位移传感器而付出代价，因为在试样拉断的情况下，主体的旋转不会影响到接触式位移传感器的定位。

另外，利用旋转对称的主体，例如滚筒形或辊形的主体，在试样未夹紧妥当的情况下能减小滑脱的可能性，进而减小测量误差。为了避免接触式位移传感器滑脱，与试样接触的主体表面以适当的方式来设计，或者由合适的材料构成。

用于主体表面或者用于主体整体的合适的材料例如可以选自包括特种钢、铝和/或聚四氟乙烯（PTFE）的组。主体直径优选≥10 mm~≤50 mm，特别优选≥15 mm~≤40 mm，更特别优选≥20 mm~≤30mm。

主体的结构旋转对称，由此使得接触式位移传感器与试样之间的距离在测量的任何时刻都保持相同，即使主体在试样拉断之后转动。本发明的积极效果特别是通过接触式位移传感器相距试样的大小恒定且保持相同的距离来实现。

由此避免试样与接触式位移传感器或测量传感器系统之间的直接接触。

由于主体的形状旋转对称，还实现了在试样拉断时该试样不会累及（verhaken）主体，因而有害的能量不会由反冲的试样传递到接触式位移传感器或测量传感器系统上。

反冲的试样克服了主体的静摩擦，且主体平稳地旋转。由此将朝向接触式位移传感器的大部分能量转换为旋转能量，因而接触式位移传感器和测量传感器系统得到保护免于受损。由于几何结构，无需将主体复位或校正至其测量位置，因为面向试样的横截型面保持不变，故主体转动轴线与试样之间的距离保持不变。接触式位移传感器经过有利的安装，使得主体转动轴线垂直于试样的伸长方向。

主体转动轴线例如可以与接触指的中轴线叠合、平行于接触指的中轴线，但也可以与接触指的中轴线夹成一角度。

通过对接触式位移传感器的特殊设计，该接触式位移传感器也适合于检查其长度变化很大的试样，例如长度变化为1000％或者更大，和/或适合于检查在延展时蓄存大量能量的试样。接触式位移传感器还特别适合于在自动的试样检查中使用，因为按照本发明设计的接触式位移传感器不必在每次测量过程之前都重新校正。对接触式位移传感器或测量传感器系统造成损伤的风险减小，致使测量设备的寿命延长，由此进一步支持了自动工作。

根据接触式位移传感器的一种实施方式，主体结构呈辊形，其圆周面凸出地拱起。其含义是，与试样接触的主体圆周面呈球状，或者凸出地向外拱起。通过这种球形设计或凸出设计，在主体与试样之间不存在直线接触，而是近乎点状的接触。这提高了测量结果的精确性，特别是在长度变化较大时。而且主体圆周面于是没有棱角，从而避免了试样上的刻痕影响（Kerbwirkung），进而避免了测量结果错误。

根据接触式位移传感器的另一种实施方式，主体与接触指通过支撑机构连接。通过这种支撑机构，主体不仅可摆动地，而且可转动地被支撑，从而主体能围绕其几何旋转轴线旋转，故拉断反冲的试样不会累及主体。优选无间隙地支撑主体，以便由此确保精确的测量结果。在支撑时，例如可以使用由合适的材料构成的球轴承或滚针轴承。还可以使用没有滚动体的由合适的能滑动的材料例如PTFE构成的支撑机构，其形式例如为套管，或者是主体本身的一体的组成部分。但支撑机构的优选形式为球轴承。

根据接触式位移传感器的另一种实施方式，主体的旋转阻力可通过摩擦耦联器（Reibkupplung）来调节。通过可调节的旋转摩擦，确保由于试样的长度变化在连续运动时带动（Mitnehmen）接触式位移传感器。在试样突然运动时，例如在拉断时，克服了滚筒的静摩擦，且主体平稳地旋转。由此将朝向主体和接触式位移传感器的大部分能量转换为旋转能量，因而接触式位移传感器以及测量系统得到保护免于受损。

这里优选的是，摩擦耦联器的设计形式为可调节的弹簧-滑环系统。这意味着，主体的旋转阻力可以调节，其中利用在主体侧设置在接触指的中轴线上的调节螺钉，手动地将压紧弹簧预压紧，压紧弹簧又将压紧环压靠到主体上，进而产生旋转阻力。主体可均匀地在两个旋转方向上转动。无需繁琐的耦联器部件，例如棘轮。

根据接触式位移传感器的另一种实施方式，主体的转动轴线与接触指的中轴线间隔开。这样就能特别是对于弹性很大且能明显伸长的材料来说使得接触指与试样间隔开较远距离地布置，从而进一步减小了接触指以及测量系统受损的危险。

本发明的主题还是一种用于测量试样的由于在伸长方向伸长而发生的长度变化的方法，其中根据本发明的至少一个接触式位移传感器以旋转对称的主体的圆周面与试样接触，其中接触式位移传感器经过安装，使得主体的转动轴线垂直于试样的伸长方向。

本发明的方法因此涉及对试样长度变化的测量，其中利用位于试样上的在试样延展时随动的接触式传感器来测量长度变化。接触式传感器的随动产生测量值，根据这些测量值算得延展位移。

在延展终点试样被拉断时，试样的伸长方向同时也是试样的两个剩余部分反冲的方向。主体转动轴线垂直于伸长方向，这样就能在到达接触式传感器的主体时将试样残余的直线运动转换为主体的旋转。由此避免损伤，如上所述。

在该方法的一种实施方式中，根据本发明的至少一对相互对置的接触式位移传感器以其相应的旋转对称主体圆周面与试样接触。接触式位移传感器还经过安装，使得主体的相应的转动轴线垂直于试样的伸长方向。在一对成对设置的接触式位移传感器中，这些接触式位移传感器位于试样的相对侧。

本发明的主题还是一种用于测量试样的由于伸长而发生的长度变化的系统，该系统包括根据本发明的接触式位移传感器。这种系统例如可以是用于测量试样的长度变化的市场上常见的机组，其中用根据本发明的接触式位移传感器来代替通常的例如构造成测量刀的接触式位移传感器。在这种系统中，接触式位移传感器经过有利的安装，使得主体的相应的转动轴线垂直于试样的伸长方向。

在该系统的一种实施方式中，根据本发明的至少一对相互对置的接触式位移传感器被设计用于以其相应的旋转对称主体圆周面与试样接触。接触式位移传感器还经过安装，使得主体的相应的转动轴线垂直于试样的伸长方向。在一对成对设置的接触式位移传感器中，这些接触式位移传感器位于试样的相对侧。

本发明的主题还是根据本发明的接触式位移传感器用于测量试样的由于伸长而发生的长度变化的用途。

下面对照附图借助优选的实施例详细地介绍本发明。

图中示出：

图1为本发明的接触式位移传感器的示意图；

图2为用于测量试样的长度变化的接触式位移传感器的设置情况的立体示意图。

图1为本发明的接触式位移传感器的示意图。接触式位移传感器10具有接触指（Ansatzfinger）12，在该接触指的面向试样的端部上设置有主体14，该主体的圆周面24可以与试样16接触。主体10的几何旋转轴线20与其位于接触指12的中轴线34上的转动轴线18一致。

主体14被球轴承26支撑，从而该主体能围绕其转动轴线18旋转。主体14的旋转阻力可利用弹簧-滑环系统来调节。通过调节螺钉28使得压紧弹簧30预压紧，该压紧弹簧将弹性力施加到压紧环32上，并压靠到主体14上。

图2为用于测量试样的长度变化的接触式位移传感器的设置情况的立体示意图，其例如在本发明的方法中使用。所示的接触式位移传感器10分别成对地在试样16的两侧设置在试样16上的两个测量位置上。接触式位移传感器10的辊形的主体14分别以其球形的圆周面24与试样16接触。由于圆周面24呈球形，所以这里会产生近乎点状的接触。

主体14的转动轴线同时是接触指12的中轴线和主体14的旋转轴线，由此形成圆周面24。根据本发明，主体14的转动轴线与伸长方向22垂直。使得通过旋转形成的圆周面24与试样接触，由此确定接触式位移传感器10的空间位置。

在试样16沿着伸长方向22伸长时会产生长度变化，接触式位移传感器10跟随这种长度变化，进而可以机械地检测长度变化。试样16伸长，直至被拉断。在拉断之后，试样16的两个部分经过接触式位移传感器10的主体14反冲至其初始长度。

Claims (12)

1. 一种在机械地测量试样（16）的由于伸长而发生的长度变化时所使用的接触式位移传感器，包括与旋转对称的主体（14）连接的接触指（12），其特征在于：主体（14）可转动地被支撑；主体（14）的转动轴线（18）也是主体（14）的几何旋转轴线（20）；主体（14）具有围绕其旋转轴线（20）形成的圆周面（24），试样（16）可以与该圆周面接触。

2. 如权利要求1所述的接触式位移传感器，其中主体（14）的结构呈辊形，该主体的圆周面（24）凸出地拱起。

3. 如权利要求1所述的接触式位移传感器，其中主体（14）与接触指（12）通过支撑机构连接。

4. 如权利要求3所述的接触式位移传感器，其中支撑机构的设计形式为球轴承（26）。

5. 如权利要求1所述的接触式位移传感器，其中主体（14）的旋转阻力可通过摩擦耦联器来调节。

6. 如权利要求5所述的接触式位移传感器，其中摩擦耦联器的设计形式为可调节的弹簧-滑环系统。

7. 如权利要求1所述的接触式位移传感器，其中主体（14）的转动轴线（18）与接触指（12）的中轴线（34）间隔开。

8. 一种用于测量试样（16）的由于在伸长方向（22）伸长而发生的长度变化的方法，其特征在于：使得根据权利要求1的至少一个接触式位移传感器（10）以旋转对称的主体（14）的圆周面（24）与试样（16）接触；其中接触式位移传感器（10）经过安装，使得主体（14）的转动轴线（18）垂直于试样（16）的伸长方向（22）。

9. 如权利要求8所述的方法，其中使得根据权利要求1的至少一对相互对置的接触式位移传感器以其旋转对称主体（14）的相应的圆周面（24）与试样（16）接触，其中接触式位移传感器（10）经过安装，使得主体（14）的相应的转动轴线（18）垂直于试样（16）的伸长方向（22）。

10. 一种用于测量试样（16）的由于伸长而发生的长度变化的系统，该系统包括根据权利要求1的接触式位移传感器（10）。

11. 如权利要求10所述的系统，其中根据权利要求1的至少一对相互对置的接触式位移传感器被设计用于以其旋转对称的主体（14）的相应的圆周面（24）与试样（16）接触，其中接触式位移传感器（10）经过安装，使得主体（14）的相应的转动轴线（18）垂直于试样（16）的伸长方向（22）。

12. 根据权利要求1的接触式位移传感器（10）用于测量试样（16）的由于伸长而发生的长度变化的用途。

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