CN102589409A - 高静水压环境下的三轴引伸计 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高静水压环境下的三轴引伸计，包括径向固定框架，设置在径向固定框架上的径向变形和应变测量装置，还包括固定在径向固定框架上和径向固定框架相垂直的轴向固定框架，固定于位于径向固定框架下方的轴向固定框架下端的第一轴向弹性元件，固定于位于径向固定框架上方的轴向固定框架上端的第二轴向弹性元件，第一轴向弹性元件和第二轴向弹性元件的上表面均贴有第一应变计和第二应变计，下表面均贴有第三应变计和第四应变计，第一应变计、第二应变计、第三应变计和第四应变计组成惠斯顿全桥；径向变形和应变测量装置测量径向的变形与应变，轴向变形和应变测量装置测量轴向的变形与应变，同时具有体积小、使用方便，测量精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三轴引伸计，具体涉及一种高静水压环境下的三轴引伸计。
背景技术
引伸计被广泛应用于材料性能测试及力学试验中测量试件变形或应变，现有的应变计式引伸计多数为单轴或双轴引伸计，且多限于实验室普通环境下使用。多孔材料的三轴静水压试验需要测量在高静水压环境下(对于多孔金属材料一般为100MPa)，多孔材料的三轴(径向双轴和轴向单轴)变形和应变，目前尚没有一种可用于高静水压环境下测量多孔材料试件三轴变形的引伸计。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高静水压环境下的三轴引伸计，能够测量高静水压环境下的三轴包括径向双轴和轴向单轴的变形和应变测量，同时具有体积小、使用方便、测量精度高的特点。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种高静水压环境下的三轴引伸计，包括径向固定框架1，设置在径向固定框架1上的径向变形和应变测量装置，还包括固定在径向固定框架1上和径向固定框架1相垂直的轴向固定框架24，固定于位于径向固定框架1下方的轴向固定框架24下端的第一轴向弹性元件29，所述第一轴向弹性元件29的尾部和轴向固定框架24相垂直固定，第一螺栓32从第一轴向弹性元件29首部螺纹孔33上部穿过，固定在第一轴向弹性元件29首部，第一螺栓32另一端连接在轴向加载装置上，并随之同步运动，径向固定框架1上方的轴向固定框架24上端固定有第二轴向弹性元件31，所述第二轴向弹性元件31的尾部和轴向固定框架24相垂直固定，第二螺栓35从第二轴向弹性元件31首部螺纹孔34下部穿过，固定在第二轴向弹性元件31首部，第二螺栓35另一端连接在轴向加载装置上，并随之同步运动，所述第一轴向弹性元件29和第二轴向弹性元件31的上表面均贴有第一应变计15和第二应变计16，下表面均贴有第三应变计17和第四应变计18，所述第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17和第四应变计18组成惠斯顿全桥测量电路38。
所述第一轴向弹性元件29和第二轴向弹性元件31均为悬臂梁结构。
所述径向变形和应变测量装置包括固定于径向固定框架1四边上的第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23，所述第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23的尾部和径向固定框架1的四边相垂直固定，且每只弹性元件都与其相邻的两只弹性元件相垂直，即第一径向弹性元件9的轴线与第二径向弹性元件19、第四径向弹性元件23的轴线垂直并与第三径向弹性元件21的轴线平行，四只弹性元件在总体上呈现出卍字形布置，第二径向弹性元件19与第四径向弹性元件23合成一组，通过应变计测量试件x方向上的变形和应变，弹性元件第一径向弹性元件9与第三径向弹性元件21合成为一组，通过应变计测量试件y方向上的变形和应变，在径向固定框架1还开有均布的四个螺纹导向孔3，第一可调顶杆4从径向固定框架1外侧穿过螺纹导向孔3，第一螺母5套在第一可调顶杆4穿过径向固定框架1的一端，弹簧2一端固定在第一可调顶杆4上，与第一螺母5相接触，弹簧2另一端固定在第二可调顶杆8上，第二可调顶杆8一端穿过第一径向弹性元件9首部的螺纹孔7并与第二螺母6相连，第二螺母6和弹簧2固定，使得弹簧2的两端分别受到第一螺母5和第二螺母6的挤压，第二可调顶杆8另一端顶在试件22上，第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23的结构与安装方式与第一径向弹性元件9相同，所述第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23的两面均贴有两个应变计，每个径向弹性元件的四个应变计组成惠斯顿全桥测量电路，该惠斯顿全桥同惠斯顿全桥测量电路38。
所述第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21和第四径向弹性元件23均为悬臂梁结构。
所述第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21、第四径向弹性元件23、第一轴向弹性元件29以及第二轴向弹性元件31一面的第一应变计15的引线正端15+、引线负端15-和第二应变计16的引线正端16+、引线负端16-分别接到第一接线端子36的第一端a、第二端b、第三端c、第四端d上，所有弹性元件的另一面的第三应变计17的引线正端17+、引线负端17-和第四应变计18的引线正端18+、引线负端18-分别接到第二接线端子37的第一端e、第二端f、第三端g、第四端h上，第一应变计15的引线负端15-接第三应变计17的引线负端17-，第三应变计17的引线正端17+接第二应变计16的引线正端16+，第二应变计16的引线负端16-接第四应变计18的引线正端18+，第四应变计18的引线负端18-接第一应变计15的引线正端15+，第一接线端子36的第一端a为所有弹性元件一面处惠斯顿电桥供电正极，第三端c为电桥供电负极，第二端b为电桥输出信号正极，第四端d为电桥输出信号负极，第二接线端子37的第一端e为所有弹性元件另一面处惠斯顿电桥供电正极，第三端g为电桥供电负极，第二端f为电桥输出信号正极，第四端h为电桥输出信号负极。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、由于本发明设置了轴向变形和应变测量装置，因此，本发明引伸计能够测量高静水压环境下的三轴包括径向双轴和轴向单轴的变形和应变测量。
2、本发明所设计的引伸计的所有弹性元件均为悬臂梁结构，并对用于径向测量的四只弹性元件进行卍字形布置，使相对的两只弹性元件相组合测量试件某一个方向上的变形或应变，从而使得该引伸计在具有较好的线性度和灵敏度的同时具有较小的体积。
3、本发明所设计的径向弹性元件首部设计有顶杆弹簧可调机构(径向测量装置)和螺栓联接可调机构(轴向测量装置)，使得本发明引伸计能够用于不同尺寸试件的变形和应变的测量。
4、本发明所设计的引伸计不需要像常规引伸计一样借助其它元件将引伸计绑定于试件上，而是借助顶杆弹簧机构将引伸计卡在圆柱形试件上，操作方便可靠。
5、本发明所设计的弹性元件尾部的上下表面分别贴有两片应变计，组成惠斯顿全桥测量电路可消除温度引起的测量误差和静水压环境造成的应变计压力效应误差，同时增加了引伸计的输出灵敏度。
6、本发明所设计的引伸计可测量三轴变形和应变；本发明所设计的引伸计也可用于常压下的三轴径向变形和应变测量；本发明可适用于大于100MPa的高静水压环境下的三轴变形和应变测量，试件径向变形测量量程为±4mm，轴向变形测量量程为±6mm。具有体积小、使用方便，测量精度高等特点。
附图说明
图1为本发明的三轴引伸计结构示意图。
图2为本发明轴向测量部分的结构示意图。
图3为本发明径向测量部分的结构示意图。
图4为弹性元件的结构示意图，其中图4a为主视图，图4b为俯视图。
图5是本发明的弹性元件应变计贴片示意图，其中图5a为应变计与接线端子具体粘贴与接线示意图，图5b为惠斯顿全桥测量电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种高静水压环境下的三轴引伸计，包括径向固定框架1，设置在径向固定框架1上的径向变形和应变测量装置，还包括固定在径向固定框架1上和径向固定框架1相垂直的轴向固定框架24，第三螺栓25穿过轴向固定框架24上的螺纹固定孔26和径向固定框架1上的螺纹固定孔20，将轴向固定框架24固定于径向固定框架1上。固定于位于径向固定框架1下方的轴向固定框架24下端的第一轴向弹性元件29，所述第一轴向弹性元件29的尾部和轴向固定框架24相垂直固定，第一螺栓32从第一轴向弹性元件29首部螺纹孔33上部穿过，固定在第一轴向弹性元件29首部，第一螺栓32另一端连接在轴向加载装置上，并随之同步运动，径向固定框架1上方的轴向固定框架24上端固定有第二轴向弹性元件31，所述第二轴向弹性元件31的尾部和轴向固定框架24相垂直固定，第二螺栓35从第二轴向弹性元件31首部螺纹孔34下部穿过，固定在第二轴向弹性元件31首部，第二螺栓35另一端连接在轴向加载装置上，并随之同步运动，所述第一轴向弹性元件29和第二轴向弹性元件31的上表面均贴有第一应变计15和第二应变计16，下表面均贴有第三应变计17和第四应变计18，所述第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17和第四应变计18组成惠斯顿全桥测量电路38。
所述第一轴向弹性元件29和第二轴向弹性元件31均为悬臂梁结构。
如图3所示，本发明径向变形和应变测量装置包括固定于径向固定框架1四边上的第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23，所述第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23的尾部和径向固定框架1的四边相垂直固定，且每只弹性元件都与其相邻的两只弹性元件相垂直，即第一径向弹性元件9的轴线与第二径向弹性元件19、第四径向弹性元件23的轴线垂直并与第三径向弹性元件21的轴线平行，四只弹性元件在总体上呈现出卍字形布置，本实施例第一径向弹性元件9的安装方式为：第四螺栓10从径向固定框架1外侧穿入径向固定框架1上的螺纹固定孔11和位于第一径向弹性元件9尾部的螺纹固定孔12，将第一径向弹性元件9垂直固定于径向固定框架1上，第二径向弹性元件19与第四径向弹性元件23合成一组，通过应变计测量试件一个径向方向上的变形和应变，弹性元件第一径向弹性元件9与第三径向弹性元件21合成为一组，通过应变计测量试件另一个径向方向上的变形和应变，在径向固定框架1还开有均布的四个螺纹导向孔3，第一可调顶杆4从径向固定框架1外侧穿过螺纹导向孔3，第一螺母5套在第一可调顶杆4穿过径向固定框架1的一端，弹簧2一端固定在第一可调顶杆4上，与第一螺母5相接触，弹簧2另一端固定在第二可调顶杆8上，第二可调顶杆8一端穿过第一径向弹性元件9首部的螺纹孔7并与第二螺母6相连，第二螺母6和弹簧2固定，使得弹簧2的两端分别受到第一螺母5和第二螺母6的挤压，第二可调顶杆8另一端顶在试件22上，第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23的结构与安装方式与第一径向弹性元件9相同，
所述第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21和第四径向弹性元件23均为悬臂梁结构。
如图4a和图4b所示，第一径向弹性元件9、第二径向弹性元件19、第三径向弹性元件21以及第四径向弹性元件23的一面均贴有第一应变计15和第二应变计16，另一面均贴有第三应变计17和第四应变计18，所述第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17和第四应变计18组成惠斯顿全桥测量电路38。
如图5a所示，本发明惠斯顿全桥测量电路38的第一应变计15的引线正端15+、引线负端15-和第二应变计16的引线正端16+、引线负端16-分别接到第一接线端子36的第一端a、第二端b、第三端c、第四端d上，所有弹性元件另一面的第三应变计17的引线正端17+、引线负端17-和第四应变计18的引线正端18+、引线负端18-分别接到第二接线端子37的第一端e、第二端f、第三端g、第四端h上，第一应变计15的引线负端15-接第三应变计17的引线负端17-，第三应变计17的引线正端17+接第二应变计16的引线正端16+，第二应变计16的引线负端16-接第四应变计18的引线正端18+，第四应变计18的引线负端18-接第一应变计15的引线正端15+，第一接线端子36的第一端a为所有弹性元件一面处惠斯顿电桥供电正极，第三端c为电桥供电负极，第二端b为电桥输出信号正极，第四端d为电桥输出信号负极，第二接线端子37的第一端e为所有弹性元件另一面处惠斯顿电桥供电正极，第三端g为电桥供电负极，第二端f为电桥输出信号正极，第四端h为电桥输出信号负极。
如图5b所示，所述第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17和第四应变计18组成惠斯顿全桥测量电路38。第一应变计15、第二应变计16、第三应变计17和第四应变计18在电路中分别用电阻R1、R2、R3和R4表示。电路中A接电源供电正极，C接电源供电负极，B接输出信号正极，D接输出信号负极。
本发明的工作原理是：对于径向变形和应变的测量，为适应不同试件的径向尺寸，在开始测量之前，先要调节径向框架中弹性元件首部的可调顶杆8的螺纹端伸出长度，以使顶杆8的一端与试件28相贴合。然后，调节顶杆4，使弹簧2处于适当的受压状态，使得顶杆8一端紧贴在圆柱形试件28上，这样整个测量装置将通过4个顶杆8卡在试件上。当试件28因变形而直径增大时，通过顶杆6，将使得弹性元件9、19、21、23弯曲，从而在弹性元件应变计贴片处产生相应的应变。应变计15、16测量弹性元件一面贴片处的应变，应变计17、18测量弹性元件另一面贴片处的应变，四片应变计15、16、17、18组成惠斯顿全桥测量电路38，通过测量惠斯顿全桥测量电路38输出即可得到每只弹性元件应变计贴片处的应变。弹性元件19、23合成一组，将其输出结果相加即可计算出试件径向y方向上的变形和应变。弹性元件9、21合成为一组，将其输出结果相加即可计算出试件径向x方向上的变形和应变。而当试件28因变形而直径缩小时，处于受压状态的弹簧将伸长，将使顶杆8顶在试件22表面，同时使得弹性元件弯曲，同理可计算出试件径向变形。
对于轴向变形和应变，在开始测量之前，将固定于弹性元件29首部的螺栓32和固定于弹性元件31首部的螺栓35与轴向加载装置相连。同时，为适应具有不同轴向尺寸的试件，可通过调节安装螺栓32、35合理确定弹性元件与轴向加载装置连接后的轴向间距。由于加载时轴向加载装置的位移与试件轴向两端的位移一致，这样就使得弹性元件29、31首部的位移与试件轴向两端的位移一致。所以当对试件进行加载时，弹性元件29、31首部将同步受压，使得弹性元件弯曲，从而在应变计贴片处产生相应的应变。弹性元件29、31上下表面的四片应变计组成惠斯顿全桥测量电路38，通过测量惠斯顿全桥测量电路38输出即可得到应变计贴片处的应变。将弹性元件29、31的惠斯顿全桥测量电路38输出结果相加即可计算出试件轴向的变形和应变。
Claims (5)
1.一种高静水压环境下的三轴引伸计，包括径向固定框架(1)，设置在径向固定框架(1)上的径向变形和应变测量装置，其特征在于：还包括固定在径向固定框架(1)上和径向固定框架(1)相垂直的轴向固定框架(24)，固定于位于径向固定框架(1)下方的轴向固定框架(24)下端的第一轴向弹性元件(29)，所述第一轴向弹性元件(29)的尾部和轴向固定框架(24)相垂直固定，第一螺栓(32)从第一轴向弹性元件(29)首部螺纹孔(33)上部穿过，固定在第一轴向弹性元件(29)首部，第一螺栓(32)另一端连接在轴向加载装置上，并随之同步运动，径向固定框架(1)上方的轴向固定框架(24)上端固定有第二轴向弹性元件(31)，所述第二轴向弹性元件(31)的尾部和轴向固定框架(24)相垂直固定，第二螺栓(35)从第二轴向弹性元件(31)首部螺纹孔(34)下部穿过，固定在第二轴向弹性元件(31)首部，第二螺栓(35)另一端连接在轴向加载装置上，并随之同步运动，所述第一轴向弹性元件(29)和第二轴向弹性元件(31)的上表面均贴有第一应变计(15)和第二应变计(16)，下表面均贴有第三应变计(17)和第四应变计(18)，所述第一应变计(15)、第二应变计(16)、第三应变计(17)和第四应变计(18)组成惠斯顿全桥(38)。
2.根据权利要求1所述的三轴引伸计，其特征在于：所述第一轴向弹性元件(29)和第二轴向弹性元件(31)均为悬臂梁结构。
3.根据权利要求1所述的三轴引伸计，其特征在于：所述径向变形和应变测量装置包括固定于径向固定框架(1)四边上的第一径向弹性元件(9)、第二径向弹性元件(19)、第三径向弹性元件(21)以及第四径向弹性元件(23)，所述第一径向弹性元件(9)、第二径向弹性元件(19)、第三径向弹性元件(21)以及第四径向弹性元件(23)的尾部和径向固定框架(1)的四边相垂直固定，且每只弹性元件都与其相邻的两只弹性元件相垂直，即第一径向弹性元件(9)的轴线与第二径向弹性元件(19)、第四径向弹性元件(23)的轴线垂直并与第三径向弹性元件(21)的轴线平行，四只弹性元件在总体上呈现出卍字形布置，第二径向弹性元件(19)与第四径向弹性元件(23)合成一组，通过应变计测量试件一个径向方向上的变形和应变，弹性元件第一径向弹性元件(9)与第三径向弹性元件(21)合成为一组，通过应变计测量试件另一个径向方向上的变形和应变，在径向固定框架(1)还开有均布的四个螺纹导向孔(3)，第一可调顶杆(4)从径向固定框架(1)外侧穿过螺纹导向孔(3)，第一螺母(5)套在第一可调顶杆(4)穿过径向固定框架(1)的一端，弹簧(2)一端固定在第一可调顶杆(4)上，与第一螺母(5)相接触，弹簧(2)另一端固定在第二可调顶杆(8)上，第二可调顶杆(8)一端穿过第一径向弹性元件(9)首部的螺纹孔(7)并与第二螺母(6)相连，第二螺母(6)和弹簧(2)固定，使得弹簧(2)的两端分别受到第一螺母(5)和第二螺母(6)的挤压，第二可调顶杆(8)另一端顶在试件(22)上，第二径向弹性元件(19)、第三径向弹性元件(21)以及第四径向弹性元件(23)的结构与安装方式与第一径向弹性元件(9)相同，所述第一径向弹性元件(9)、第二径向弹性元件(19)、第三径向弹性元件(21)以及第四径向弹性元件(23)的两面均贴有两个应变计，每个径向弹性元件的四个应变计组成惠斯顿全桥，该惠斯顿全桥同惠斯顿全桥(38)。
4.根据权利要求3所述的三轴引伸计，其特征在于，所述第一径向弹性元件(9)、第二径向弹性元件(19)、第三径向弹性元件(21)和第四径向弹性元件(23)均为悬臂梁结构。
5.根据权利要求1或3所述的三轴引伸计，其特征在于，所述惠斯顿全桥(38)的第一应变计(15)的引线正端(15+)、引线负端(15-)和第二应变计(16)的引线正端(16+)、引线负端(16-)分别接到第一接线端子(36)的第一端(a)、第二端(b)、第三端(c)、第四端(d)上，所有弹性元件另一面的第三应变计(17)的引线正端(17+)、引线负端(17-)和第四应变计(18)的引线正端(18+)、引线负端(18-)分别接到第二接线端子(37)的第一端(e)、第二端(f)、第三端(g)、第四端(h)上，第一应变计(15)的引线负端(15-)接第三应变计(17)的引线负端(17-)，第三应变计(17)的引线正端(17+)接第二应变计(16)的引线正端(16+)，第二应变计(16)的引线负端(16-)接第四应变计(18)的引线正端(18+)，第四应变计(18)的引线负端(18-)接第一应变计(15)的引线正端(15+)，第一接线端子(36)的第一端(a)为所有弹性元件一面处惠斯顿电桥供电正极，第三端(c)为电桥供电负极，第二端(b)为电桥输出信号正极，第四端(d)为电桥输出信号负极，第二接线端子(37)的第一端(e)为所有弹性元件另一面处惠斯顿电桥供电正极，第三端(g)为电桥供电负极，第二端(f)为电桥输出信号正极，第四端(h)为电桥输出信号负极。
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