CN103090778B - 一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法，其所述传感器是位移应变转换梁上设置有应变片，并构成桥路连接有应变仪，位移应变转换梁的固定端固定在测点上，自由端插入刚性导槽中并固定在参考位置；其所述检测方法是当测点位移时，刚性导槽的位移与位移应变转换梁上的应变片处的应变呈线性关系，由应变仪记录测点位移时的应变值，所记录的应变值根据标定的应变与位移关系式确定测点的位移值。本发明结构简单，重复性好，灵敏度高，制作安装方便，成本低，适用于工程结构的检测试验，特别是工程结构及构件的大位移测量。

Description

一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种位移传感器及其检测方法，具体地是一种用于工程结构检测的应变式线性双向位移传感器及其检测方法，特别是工程结构及构件的大位移测量。

背景技术

应用应变片可以制成测量各种参数的传感器，它们具有灵敏度高、精度高、输出为电信号以及便于自动记录和进行数据处理等优点，已被广泛使用。应变式传感器按用途可以分为测力传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器等，原理应用是将应变片粘贴在弹性元件上，并接成一定的桥路，当弹性元件受力变形后，电桥就有电信号输出，应用测量仪器就可以测出所需要的参数。

应变式传感器的弹性元件可以采用不同形式，常用的有梁式、弓形形式和弹簧组合式三种弹性元件的位移传感器。                          

 现有技术一，如附图2所示。悬臂梁应变式位移传感器是最简单结构形式的位移传感器，它的原理是将应变片粘贴在弹性元件上，并接成一定的桥路，当弹性元件受力变形后，电桥就有电信号输出，应用测量仪器即可测出所需要的参数。

上述现有技术一的不足之处是所测的位移不能太大，即如果 较小时，悬臂梁可以看成为小挠度梁，，否则会引起非线性（失真）。其原因是通过荷载逐渐增大使得悬臂梁变形，自由端不仅有垂直位移，而且还有水平位移，悬臂梁自由端的垂直位移不是。被测位移越大，引起的非线性（失真）就越大。

现有技术二，如国内生产的应变弹簧组合式大位移传感器，其组成元件有悬臂梁、圆柱螺旋弹簧、导杆和标尺等。在悬臂梁固定端附近粘贴应变片，当测点位移传递给导杆后，导杆带动弹簧，使弹簧伸长，并使悬臂梁产生弯曲变形。因此，测点的位移是弹簧伸长量和悬臂梁自由端位移之和。

上述现有技术二的不足之处是结构较复杂，制作周期长，制造成本高，不宜非专业生产厂家的人员制作。

还能够获得的现有文献和技术如下：

 [1] 吴宗岱，陶宝褀.应变电测原理及技术.国防工业出版社，1982，292～377。

[2] 陶宝褀，王妮.电阻应变式传感器.国防工业出版社，1993，149～158。

[3]曹天捷.集中力作用下悬臂梁几何中轴的弹性大挠度分析.中国民航大学

学报，2007 ，Vol.25， No.5。

[4] 葛如海，储志俊.悬臂梁集中载荷大挠度弯曲变形的一种解.应用力学学

报，1997，Vo1.14，No.4。

[5] 张彦兵, 刘永前.悬臂梁自由端受集中载荷作用考虑几何非线性时的位

移函数.国防交通工程与技术，2005，Vo1.3，41～42。

[6]武汉水利电力学院编.工程力学（材料力学）.高等教育出版社，1986，186～

363。

[7]李银山等.Maple材料力学.机械工业出版社，2009，109～159。

上述现有悬臂梁应变式位移传感器的量程较小，最大量程在10～15mm。超出这一量程，所测位移就呈非线性。一直以来普遍认为悬臂梁应变式位移传感器只适用于测量小位移，用此种结构形式的应变式传感器测量线性双向大位移是不可能的。

要想利用悬臂梁应变式位移传感器原理实现测量大位移就必须使悬臂梁自由端在大位移后恢复原状，大位移时悬臂梁上的任意截面最大应变应当小于材料的弹性极限；其次是解决悬臂梁自由端受集中荷载作用下几何非线性的问题。

发明内容

基于上述现有技术，本发明要解决的具体技术问题是悬臂梁自由端受集中荷载作用下的几何非线性问题，以实现线性双向大位移的测量，并提供一种应变式线性双向大位移传器及其检测方法。

 为了解决上述问题，本发明所采取的措施是一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法，其所述一种应变式线性双向大位移传感器，其特征是：

一位移应变转换梁；

在所述位移应变转换梁上设置有应变片构成桥路，并连接有应变仪；

在所述位移应变转换梁的自由端插入刚性导槽内一定长度，并将刚性导槽固定在参考位置，当位移应变转换梁的固定端或刚性导槽位移时，在刚性导槽内的位移应变转换梁的自由端自动滑移和转动，其刚性导槽的位移与位移应变转换梁上的应变片处的应变是线性关系。

在上述的技术方案中，进一步的附加技术特征在于：

所述位移应变转换梁是表面光滑的弹性长薄型金属条，其弹性长薄型金属条上任意截面的最大应力小于材料的弹性极限；

所述刚性导槽是在一刚性管件的一侧面沿纵轴线开具的一导槽；

所述线性关系是位移应变转换梁的固定端与刚性导槽的距离在测量位移时，其投影长度恒定。

本发明所提供的一种用于应变式线性双向大位移传感器的检测方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

（1）将应变转换梁的固定端固定在测点处，再将位移应变转换梁的自由端插入到刚性导槽内一定长度；

（2）将刚性导槽固定在参考位置；

（3）将位移应变转换梁上的应变片连接应变仪；

（4）当测点位移时，位移应变转换梁上的应变片处的应变值随之变化；

（5）由应变仪记录测点位移时，位移应变转换梁上应变片处的应变值；

（6）应变仪记录的应变值，根据标定的应变与位移的关系式，确定其测点的位移值；

其中，为测点的位移，为记录的应变值，为比例系数，为常数。所述测点的位移值是±100mm。

实现本发明所提供的一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法，与现有技术相比，其所具有的优点与积极效果在于：

本发明基于悬臂梁应变式小位移传感器原理，解决了悬臂梁应变式小位移传感器测量大位移的非线性问题，采用简单的结构所构成的传感器，实现了线性双向大位移的测量，而且结构简单，制作安装方便，成本低廉。在检测时具有灵敏度及精度高，线性好，其输出为电信号，便于自动记录和进行数据处理等特点。

本发明所提供的一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法，适用于悬臂梁的位移检测，尤其是工程结构及构件的大位移测量。

附图说明

图1是应变式线性双向大位移传感器原理，在力的作用下，的投影长度始终保持不变。

图2是矩形悬臂梁式弹性元件的计算简图。

图3 是位移传感器的标定与公式计算结果。

图4 是本发明传感器在砌体往复试验中的应用。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

本发明应变式线性双向大位移传感器的理论依据：

悬臂梁应变式位移传感器是最简单结构形式的位移传感器，它的原理是将应变片粘贴在弹性元件上，并接成一定的桥路，当弹性元件受力变形后，电桥就有电信号输出，应用测量仪器就可以测出所需要的参数。

如附图2是矩形悬臂梁式弹性元件的计算简图，轴沿着悬臂梁变形前的轴线方向，轴为梁的垂直位移方向。变形后梁在轴上的投影为。C为距离固定端处粘贴的应变片。由力学公式算得梁的挠度为：

                                                  （1）

式中：—悬臂梁长度；—梁截面的惯性矩，等截面梁为；—作用力。根据应变片测出的应变值，可以得到悬臂梁上的荷载为：

                                           （2）

式中：W—悬臂梁的抗弯截面模量，矩形截面为，为悬臂梁表面应变。由（1）、（2）两式得到读数应变与位移间的关系：

                 或                     （3）

上述的不足之处是所测的位移不能太大，即如果较小时，悬臂梁可以看成为小挠度梁，，否则会引起非线性（失真）。其原因是通过逐渐位移作用使得悬臂梁变形，自由端不仅有垂直位移，而且还有水平位移，悬臂梁自由端的垂直位移不是。被测位移越大，引起的非线性（失真）就越大。

如果使得悬臂梁在的逐渐位移作用下，的投影长度始终保持不变，则公式（3）的与呈线性关系。

如附图1所示，设位移应变转换梁1长为256mm，将位移应变转换梁1活动端插入刚性导槽3内35mm；位移应变转换梁1的固定端或刚性导槽3位移时，在刚性导槽3内的位移应变转换梁1的自由端自动滑移和转动；刚性导槽3与位移应变转换梁1的固定端的距离的投影长度始终保持不变；刚性导槽3与位移应变转换梁1接触的摩擦力不计；位移应变转换梁1粘贴应变片2处的应变随着位移的变化而变化。=221mm，=30mm，=0～100mm。按公式（3）计算结果和实测标定结果如表1和附图3所示。

应变计算结果和实测标定结果   表1 

位移（mm）	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
												用公式计算应变（με）	0.0	172.5	345.1	517.6	690.1	862.6	1035.2	1207.7	1380.2	1552.8	1725.3
传感器应变标定（με）	0.0	183.7	354.7	536.7	715.3	885.7	1054.0	1225.7	1386.0	1521.7	1675.7
												位移（mm）	0	-10	-20	-30	-40	-50	-60	-70	-80	-90	-100
用公式计算应变（με）	0.0	-172.5	-345.1	-517.6	-690.1	-862.6	-1035.2	-1207.7	-1380.2	-1552.8	-1725.3
												传感器应变标定（με）	0.0	-195.3	-377.3	-552.3	-740.3	-916.3	-1110.3	-1286.7	-1427.0	-1586.3	-1724.0

   计算结果表明只要刚性导槽3在位移时始终与固定端y轴保持平行，即的投影长度始终保持不变条件下，位移与转换梁1上的应变片2处的应变呈线性关系。

基于上述悬臂梁应变式位移传感器的理论依据，本发明应变式线性双向大位移传感器及其检测方法的具体实施方式如下：

一种应变式线性双向大位移传感器，其构成在于先制作一位移应变转换梁1；并在所制作的位移应变转换梁1上的一侧面粘贴有应变片2连接构成桥路，同时连接应变仪；将位移应变转换梁1的自由端插入到刚性导槽3内一定长度，再将刚性导槽3固定在参考位置，当位移应变转换梁1的固定端或刚性导槽3发生位移时，在刚性导槽3内的位移应变转换梁1的自由端自动滑移和转动，其刚性导槽3的位移与位移应变转换梁1上的应变片2处的应变呈线性关系。

在上述具体实施方式中，位移应变转换梁1制作成表面光滑的弹性长薄型金属条，其弹性长薄型金属条上任意截面的最大应力小于材料的弹性极限。刚性导槽3是在一方形刚性管件的一侧面沿纵轴线开一导槽，再将刚性导槽3固定在参考位置。在测量时，其刚性导槽3的位移与位移应变转换梁1上的应变片2处的应变呈线性关系，即位移应变转换梁1的固定端与刚性导槽3的距离在测量位移时，其投影长度保持不变。

一种用于上述的应变式线性双向大位移传感器的检测方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

第一步、将位移应变转换梁1的固定端固定在测点处，再将位移应变转换梁1的自由端插入到刚性导槽3内一定长度；

第二部、将刚性导槽3固定在参考位置；

第三部、将位移应变转换梁1上的应变片2连接应变仪；

第四步、当测点位移时，位移应变转换梁1上的应变片2处的应变值随之变化；

第五步、由应变仪记录测点位移时，位移应变转换梁1上应变片2处的应变值；

第六步、应变仪记录的应变值，根据标定的应变与位移的关系式，确定其测点的位移值；

其中，为测点的位移，为记录的应变值，为比例系数，为常数。其测点的位移值是±100mm。

基于上述悬臂梁应变式位移传感器的理论依据，本发明应变式线性双向大位移传感器及其检测方法的具体实施例如下：

如附图1所示，制作传感器。此次制作的传感器的量程是±100mm。位移应变转换梁1选用双金属复合钢，长为256mm，宽12mm，厚为0.65mm，作为应变式线性双向大位移传感器的弹性元件。要求平直、表面光滑，没有划痕等缺陷，经过最大弯曲后仍能恢复原状，即在大位移时位移应变转换梁1上的任意截面最大应力小于材料的弹性极限。

刚性导槽3是在一刚性管件的一侧面沿纵轴线开一导槽。刚性管件的截面边长为40 mm×40mm，壁厚为0.8mm，刚性导槽3宽度为0.80mm，其长度视具体试验自由调节。

在位移应变转换梁1离固定端30mm处的位置布置粘贴两片应变片2，一片为工作片，一片为补偿片，并接成半桥线路，粘贴应变片2处在受拉、压时应变值为正值或负值，从而实现双向位移测量。

将位移应变转换梁1自由端插入刚性导槽3内35mm；当位移应变转换梁1的固定端或刚性导槽3位移时，刚性导槽3内的位移应变转换梁1的长度自动滑移和转动；刚性导槽3与位移应变转换梁1的固定端的距离的投影长度始终保持不变；刚性导槽3与位移应变转换梁1接触的摩擦力不计；位移应变转换梁1粘贴应变片2处的应变随着位移的变化而变化。

位移应变转换梁1的固定端与刚性导槽3可根据具体试验确定“固定端”和“自由端”。考虑到测试时会出现绕轴转动的因素，位移应变转换梁1的固定端除了起固定作用外还需有一定的转功能。

如表1和附图4所示，实测标定结果表明刚性导槽3的位移与位移应变转换梁1粘贴应变片2处的应变呈线性关系。在实际应用前必须对传感器进行标定，以标定值为标准。

本发明应变式线性双向大位移传感器的应用。如附图4是本发明传感器在砌体往复试验中的应用。在试验中这种传感器安装方便、线性好、灵敏度高、精度高、重复性好，测得的位移数据较理想，满足试验的要求。

本发明解决了悬臂梁应变式小位移传感器测量大位移的非线性问题；应变式弹簧组合大位移传感器和其它应变式组合大位移传感器的结构复杂、制作周期长、制造成本高、不宜非专业生产厂家的人员制作等问题。

Claims (5)

1.一种应变式线性双向大位移传感器，其特征是：

    一位移应变转换梁（1）；

在所述位移应变转换梁（1）上设置有应变片（2）构成桥路，并将构成桥路的应变片（2）连接应变仪；

所述位移应变转换梁(1)的自由端插入刚性导槽（3）内一定长度，并将刚性导槽（3）固定在参考位置，当位移应变转换梁（1）的固定端位移时，在刚性导槽(3)内的位移应变转换梁(1)的自由端自动滑移和转动，位移应变转换梁（1）的固定端与刚性导槽（3）的距离的投影长度恒定，位移应变转换梁（1）固定端的位移与位移应变转换梁(1)上的应变片(2)处的应变是线性关系。

2.如权利要求1所述的应变式线性双向大位移传感器，其特征是：

所述位移应变转换梁（1）是表面光滑的弹性长薄型金属条，其弹性长薄型金属条上任意截面的最大应力小于材料的弹性极限。

3.如权利要求1所述的应变式线性双向大位移传感器，其特征是：

所述刚性导槽（3）是在一刚性管件的一侧面沿纵轴线开具的一导槽。

4.一种用于上述权利要求1所述的应变式线性双向大位移传感器的检测方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

（1）将位移应变转换梁（1）的固定端固定在测点处，再将位移应变转换梁（1）的自由端插入到刚性导槽（3）内一定长度；

（2）将刚性导槽（3）固定在参考位置；

（3）将位移应变转换梁（1）上的应变片（2）连接应变仪；

（4）当测点位移时，位移应变转换梁（1）上的应变片（2）处的应变值随之变化；

（5）由应变仪记录测点位移时，位移应变转换梁（1）上应变片（2）处的应变值；

（6）应变仪记录的应变值，根据标定的应变与位移的关系式                                                ，确定其测点的位移值；

其中，为测点的位移，为记录的应变值，为比例系数，为常数。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征是：所述应变式线性双向大位移传感器的量程是±100mm。