CN102353318A - 一种大跨度小位移自动测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大跨度小位移自动测量方法及装置，本发明方法包括以下步骤：1)将一千分表组件和一钢丝绳固定组件分别安装在被测物体的两端，并将一钢丝绳的一端与千分表组件固定连接，将钢丝绳另一端与钢丝绳固定组件连接；2)通过钢丝绳调整千分表组件的安装位置和方向，同时拉紧钢丝绳，保证钢丝绳在千分表本体内的弹簧回复力作用下处于张紧状态；3)通过紧固件将千分表组件和一钢丝绳固定组件分别固定在被测物体的两测点上，此时千分表本体上的读数即为两测点之间的测量值；4)当被测物体发生变形时，两测点之间发生相对位移，通过千分表本体可以得到两测点之间发生位移后的测量值。本发明可广泛应用于工程结构的变形测量中。

Description

一种大跨度小位移自动测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种位移测量方法及装置，特别是关于一种涉及空间两点间大跨度小位移自动测量方法及装置。

背景技术

一般在工程试验中，有时需要测量结构中跨度较大的两点之间的位移，而这个位移的绝对值又非常小。例如，在轿车白车身扭转刚度试验中，车门前风窗等开口对角线的变形测量过程中，两测点之间的空间距离通常在1000mm以上，而试验过程中其变形量可能在1mm以内。同时，变形前与变形后两测点的连线往往不在同一直线上。这时采用传统的测量方法很难实现精确测量。大跨度小位移的测量难点在于：1、如何将大跨度两点间的小位移传递给量具；2、由于变形前与变形后两测点的连线不在同一直线上，如何避免量具在测量过程中受力而发生变形；3、如何实现自动化测量。

目前常用的方法是利用卡尺测量跨度较大的两点之间的相对位移：在结构尚未发生变形之前，先用卡尺测量两点之间的初始距离；待结构发生变形之后，再用卡尺测量两点之间的当前距离；前后距离之差即为两点之间的相对位移。该测量方法依靠人工读数，误差较大，劳动强度高，而且很难实现数据自动化采集。另外，也有人将卡尺固定在被测对象上，通过专门的夹具和延长机构来传递变形量。该测量方案安装复杂，且两测点变形位移的方向和卡尺测杆的伸缩方向往往不在同一直线上，可能造成卡尺和延长机构受力变形，影响测量精度。再一种测量方法是采用拉绳式位移传感器进行大跨度小位移的测量。拉绳式位移传感器可以实现自动化测量，且安装方便。但是拉绳式位移传感器传感器成本较高，而且由于拉绳式位移传感器的满量程误差通常在0.2mm以上，在测量1mm以内的小变形时，精度不能满足要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、安装方便、精度高和成本低廉的大跨度小位移自动测量方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大跨度小位移的自动测量方法，其包括以下步骤：1)将一千分表组件和一钢丝绳固定组件分别初步安装在被测物体的两端，并将一钢丝绳的一端与所述千分表组件固定连接，将所述钢丝绳另一端与所述钢丝绳固定组件进行初步连接；2)通过所述钢丝绳调整所述千分表组件的安装位置和方向，使所述千分表组件中千分表本体的两测杆伸缩方向与所述钢丝绳的轴线方向一致；同时，拉紧所述钢丝绳，使所述千分表本体的两测杆具有一初始行程，以保证所述钢丝绳在所述千分表本体内的弹簧回复力作用下处于张紧状态，然后将所述钢丝绳与所述钢丝绳固定组件之间固定连接；3)通过紧固件将千分表组件和一钢丝绳固定组件分别固定在被测物体的两测点上，此时千分表本体上的读数即为两测点之间的测量值；4)当被测物体发生变形时，两测点之间发生相对位移，通过千分表本体可以得到两测点之间发生位移后的测量值。

所述步骤3)中两测点之间的测量值通过串口输送给计算机；并将所述步骤4)两测点之间发生位移后的测量值通过串口输送给计算机，由计算机输出位移结果。

实现上述方法的一种大跨度小位移自动测量装置，它包括一钢丝绳，一千分表组件和一钢丝绳固定组件；所述钢丝绳一端固定连接有一拨叉；所述千分表组件包括一千分表本体，所述千分表本体的两端分别设置有一测杆，其中一所述测杆通过螺纹连接一固定件，所述固定件固定连接所述钢丝绳端部的拨叉，其中另一所述测杆通过一安装块固定在被测物体的一测量点；所述钢丝绳固定组件包括一与被测物体另一测量点连接的固定块，所述固定块通过一具有开口的圆柱连接所述钢丝绳，且通过一螺钉将钢丝绳固定在所述圆柱中。

通过螺纹连接在所述测杆上的固定件呈L形，所述L形的一个端面上设置有一螺纹孔，所述钢丝绳一端的拨叉通过一穿入螺纹孔的螺钉固定在固定件上。

设置在所述另一侧所述测杆上的安装块为一台阶状的安装块，所述安装块的两个台阶侧面分别设置一水平的开口，其中一个开口里端设置有一穿设所述测杆的通孔，并通过一螺钉将所述测杆固定在所述通孔内；另一开口卡设在被测物体的测点上，且通过另一螺钉固定。

与被测物体另一测量点连接的所述固定块呈U形，所述U形的开口端卡设在被测物体的测量点上，并通过一螺钉固定；所述U形一体端设置有所述圆柱，所述圆柱的端部沿所述圆柱的轴向开设所述开口，并在所述圆柱的中心设置一螺纹孔；与所述拨叉相对的所述钢丝绳另一端穿设在所述开口内，并通过所述螺钉将其固定在所述圆柱中。

所述千分表本体为带有数字信号输出的千分表。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的实施例中，通过钢丝绳来延长千分表本体的测杆，通过千分表本体内的弹簧回复力使钢丝绳张紧。当两测点间发生相对位移时，设置在千分表本体内的复位弹簧会被拉伸或者压缩，实现大跨度小位移的精确测量。2、同时由于钢丝绳具有柔软性，可保证两测点之间的相对位移方向与千分表测杆的收缩方向不在一条直线时，仍能准确测量两点间的相对位移。3、本发明可以选用带数字信号输出的千分表本体，以便于实现数据的自动测量和采集，减小人工读数误差并降低试验劳动强度。4、本发明采用直径为0.5mm的1×7(一根主芯包设六根不锈钢钢丝)结构的不锈钢钢丝绳，其钢丝绳单位长度质量轻、柔软性好以及延伸率低。本发明可广泛应用于工程结构的变形测量，技术可向国内外汽车、船舶、土木、制造等企业和科研单位推广。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明千分表组件分解示意图

图3是本发明钢丝绳固定组件分解示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括钢丝绳10，千分表组件20和钢丝绳固定组件40。其中钢丝绳10的一端固定连接有一拨叉11。

如图1、图2所示，本发明的千分表组件20包括千分表本体21，千分表本体21的两端分别设置有一测杆22、23，其中一测杆22通过螺纹连接一L形的固定件24，在固定件24的L形的一个端面上设置有一螺纹孔25。钢丝绳10具有拨叉11的一端通过一穿入螺纹孔25的螺钉26固定在固定件24上。在千分表本体21的另一端设置一台阶状的安装块27，在安装块27的两个台阶侧面分别设置一水平的开口28、29，其中一个开口28里端设置有一通孔30，用于穿设测杆23，并通过一螺钉31将测杆23固定在通孔30内。另一开口29可以直接卡设在白车身的门框上，且通过另一螺钉32将安装块27与门框固定连接成一体。

如图3所示，本发明的钢丝绳固定组件40包括一U形固定块41，固定块41的U形开口端可以直接卡设在白车身另一侧的门框上，并通过螺钉42将固定块41与门框连接成一体。在固定块41的U形一体端设置有一圆柱43，圆柱43的端部沿圆柱43的轴向开设一开口44，并在圆柱43的中心设置有一螺纹孔45。将钢丝绳10没有拨叉11的一端穿设在开口44内，并用螺钉46将钢丝绳10固定在圆柱43中。

本发明的空间两点间大跨度小位移的自动化测量方法，包括以下步骤：

1)将千分表组件20和钢丝绳固定组件40分别安装在被测物体的两端，将钢丝绳10的一端固定连接在千分表组件20上，再将钢丝绳10另一端穿入固定组件40；

2)通过钢丝绳10调整千分表组件20安装位置和方向，使得千分表本体21两侧测杆22、23的伸缩方向与钢丝绳10轴线方向尽可能一致；同时，应使千分表测杆22、23有一定的初始行程，以保证钢丝绳10在千分表本体21内的弹簧回复力作用(弹簧被拉伸一端距离)下处于张紧状态；

3)将钢丝绳10锁死在钢丝绳固定组件40上，即可从千分表本体21上读取测点A与测点B之间测量值，并将该测量值通过串口输给计算机；

4)当被测物体发生变形时，测点A与测点B之间发生相对位移，通过千分表本体21可以得到数据变化，该数据变化可以通过串口传输给计算机，进而通过计算机计算得到测点A与测点B之间位移的自动测量结果。

本发明的实施例中，通过钢丝绳10来延长千分表本体21的测杆22，通过千分表本体21内的弹簧回复力使钢丝绳10张紧。当两测点间发生相对位移时，设置在千分表本体21内的复位弹簧会被拉伸或者压缩，实现大跨度小位移的精确测量。同时由于钢丝绳10具有柔软性，可保证两测点之间的相对位移方向与千分表测杆22、23的收缩方向不在一条直线时，仍能准确测量两点间的相对位移。

本发明可以选用带数字信号输出的千分表本体21，以便于实现数据的自动测量和采集，减小人工读数误差并降低试验劳动强度。

本发明对钢丝绳10的要求是单位长度质量轻、柔软性好以及延伸率低，可以选用直径为0.5mm的1×7(一根主芯包设六根不锈钢钢丝)结构的不锈钢钢丝绳。

上述各实施例中，采用本发明的测量方法，可以针对不同的测试对象，设计不同的安装附件以满足不同的装夹要求。

为了说明本发明方法的测试精度，对因本发明方法自身产生的测量误差进行分析。除了千分表本体21自身的测量误差，本发明方法的测量误差还与钢丝绳10在千分表本体21弹簧回复力作用下的伸长量，以及钢丝绳10因自重引起的挠曲变形有关。

本发明在理想情况下，当钢丝绳10在测试过程中自身长度保持不变。但钢丝绳10在两端受力的情况下会发生弹性变形。参考不锈钢钢丝绳国家标准(GB/T9944-2002)，本发明中选用的钢丝绳10在轴向拉力为254.8N时伸长率不超过1.5％，质量为1.25g/m。钢丝绳10在千分表本体21弹簧回复力作用下的变形量可以通过公式(1)估算。

$\mathrm{\δ}=\frac{k\×d\×l\×1.5\%}{254.8N}---\left(1\right)$

公式(1)中：

δ-钢丝绳自身的变形，单位mm；

k-千分表中回复弹簧的刚度，取0.02N/mm；

d-钢丝绳两端测点的相对位移，单位mm；

l-钢丝绳两端测点间的空间距离，单位mm；

N-是力的单位：牛。

表1列出了空间两测点间不同距离和相对变形时，由于钢丝绳10受轴向载荷发生伸长变形引发的极限测量误差。

表1钢丝绳受轴向载荷伸长变形引发的测试误差极限

理想情况下，钢丝绳10在测试过程中不发生挠曲，钢丝绳10的跨度保持不变。但由于钢丝绳10在自重作用下发生挠曲，且挠曲程度随着钢丝绳10两端弹簧回复力变化而变化，这导致了测试过程中钢丝绳10两端的跨度由初始的l₀变化为l₁误差为s＝l₁-l₀。设千分表测量得到位移量d₀，则两测点的真实位移为d＝d₀+ε。

分析可知，在相同自重力和跨度的情况下，当钢丝绳10处于水平位置时，钢丝绳10的挠曲变形最大，此时因钢丝绳10挠曲引发的测试误差最大。设钢丝绳10两端A、B初始的距离为l₀，千分表本体21弹簧回复力为F₀，已知钢丝绳10单位质量为1.25g/m，则钢丝绳10因自重引发挠曲之后的长度s可用式(2)计算：

$s=l_0+\frac{{q_z}^2}{{24F}_0^2}{l}_0^2---\left(2\right)$

式(2)中：

s-钢丝绳自身的长度，单位mm；

l₀-钢丝绳两端的初始距离，单位mm；

F₀-千分表弹簧初始回复力，取0.9N；

q_z-钢丝绳单位长度的自重，取1.25×10^-3kg/m×9.8N/Kg＝0.01225N/mm。

假设在测试过程中千分表测杆22、23发生相对位移d₀时钢丝绳两端的距离变为l1，其弹簧回复力变为F₁＝F₀+Kd₀。则变形后钢丝绳10两端点的距离l₁可用式(3)计算：

$l_1=\sqrt[3]{A}+\sqrt[3]{B}---\left(3\right)$

其中：

$A=\frac{{12F}_1^2}{q_z^2}s-\sqrt{{\left(\frac{{12F}_1^2}{q_z^2}s\right)}^2+{\left(\frac{{8F}_1^2}{q_z^2}\right)}^3}$ $B=\frac{{12F}_1^2}{q_z^2}s+\sqrt{{\left(\frac{{12F}_1^2}{q_z^2}s\right)}^2+{\left(\frac{{8F}_1^2}{q_z^2}\right)}^3}$

因钢丝绳10自重挠曲产生的测量绝对误差钢丝绳10受自重发生挠曲引发的极限测量误差可以通过式(4)估算。

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{\ϵ}}{d_0+\mathrm{\ϵ}}\×100\%=\frac{l_1-l_0}{d_0+l_1-l_0}\×100\%---\left(4\right)$

式(4)中：

μ-钢丝绳受自重发生挠曲引发的相对误差；

l₁-测点发生相对位移之后钢丝绳两端的距离，单位mm；

ε-钢丝绳受自重发生挠曲引发的绝对误差，单位mm；

d₀-千分表测得的变形量，单位mm。

表2列出了空间两测点间不同距离和相对变形时，由于钢丝绳10受自重发生挠曲引发的极限测量误差。

表2钢丝绳自重挠曲引发的测试误差极限

由表1和表2可以看出，本发明的方法在测量大跨度小变形时由于钢丝绳10带来的误差非常小，因此能满足测试的精度的要求。同时，实验人员可以参考表1和表2对实验数据进行修正，以保证试验结果与真实位移进一步吻合。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种大跨度小位移自动测量方法，包括以下步骤：

1)将一千分表组件和一钢丝绳固定组件分别初步安装在被测物体的两端，并将一钢丝绳的一端与所述千分表组件固定连接，将所述钢丝绳另一端与所述钢丝绳固定组件进行初步连接；

2)通过所述钢丝绳调整所述千分表组件的安装位置和方向，使所述千分表组件中千分表本体的两测杆伸缩方向与所述钢丝绳的轴线方向一致；同时，拉紧所述钢丝绳，使所述千分表本体的两测杆具有一初始行程，以保证所述钢丝绳在所述千分表本体内的弹簧回复力作用下处于张紧状态，然后将所述钢丝绳与所述钢丝绳固定组件之间固定连接；

3)通过紧固件将千分表组件和一钢丝绳固定组件分别固定在被测物体的两测点上，此时千分表本体上的读数即为两测点之间的测量值；

4)当被测物体发生变形时，两测点之间发生相对位移，通过千分表本体可以得到两测点之间发生位移后的测量值。

2.如权利要求1所述的一种大跨度小位移自动测量方法，其特征在于：将步骤3)中两测点之间的测量值通过串口输送给计算机；并将所述步骤4)两测点之间发生位移后的测量值通过串口输送给计算机，由计算机输出位移结果。

3.实现如权利要求1或2所述方法的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：它包括一钢丝绳，一千分表组件和一钢丝绳固定组件；

所述钢丝绳一端固定连接有一拨叉；

所述千分表组件包括一千分表本体，所述千分表本体的两端分别设置有一测杆，其中一所述测杆通过螺纹连接一固定件，所述固定件固定连接所述钢丝绳端部的拨叉，其中另一所述测杆通过一安装块固定在被测物体的一测量点；

所述钢丝绳固定组件包括一与被测物体另一测量点连接的固定块，所述固定块通过一具有开口的圆柱连接所述钢丝绳，且通过一螺钉将钢丝绳固定在所述圆柱中。

4.如权利要求3所述的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：通过螺纹连接在所述测杆上的固定件呈L形，所述L形的一个端面上设置有一螺纹孔，所述钢丝绳一端的拨叉通过一穿入螺纹孔的螺钉固定在固定件上。

5.如权利要求3所述的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：设置在所述另一侧所述测杆上的安装块为一台阶状的安装块，所述安装块的两个台阶侧面分别设置一水平的开口，其中一个开口里端设置有一穿设所述测杆的通孔，并通过一螺钉将所述测杆固定在所述通孔内；另一开口卡设在被测物体的测点上，且通过另一螺钉固定。

6.如权利要求4所述的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：设置在所述另一侧所述测杆上的安装块为一台阶状的安装块，所述安装块的两个台阶侧面分别设置一水平的开口，其中一个开口里端设置有一穿设所述测杆的通孔，并通过一螺钉将所述测杆固定在所述通孔内；另一开口卡设在被测物体的测点上，且通过另一螺钉固定。

7.如权利要求3或4或5或6所述的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：与被测物体另一测量点连接的所述固定块呈U形，所述U形的开口端卡设在被测物体的测量点上，并通过一螺钉固定；所述U形一体端设置有所述圆柱，所述圆柱的端部沿所述圆柱的轴向开设所述开口，并在所述圆柱的中心设置一螺纹孔；与所述拨叉相对的所述钢丝绳另一端穿设在所述开口内，并通过所述螺钉将其固定在所述圆柱中。

8.如权利要求3或4或5或6所述的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：所述千分表本体为带有数字信号输出的千分表。

9.如权利要求7所述的一种大跨度小位移自动测量装置，其特征在于：所述千分表本体为带有数字信号输出的千分表。

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