CN103471834B - 高低温环境下精确测量弯刚度的装置 - Google Patents

Abstract

高低温环境下精确测量弯刚度的装置，包括光学镜头、高刚度杆、三维移动平台、激光测量组、高低温箱等，高低温箱内通过被测件安装座固定被测件，高刚度杆竖直穿过高低温箱作用在被测件上，高刚度杆上端通过力传感器与三维移动平台固接，光学镜头通过安装座垂直固定在高刚度杆上，激光测量组固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对。本发明采用可移动的高刚度杆进行加载，通过光学镜头保证力臂不变，利用激光测量组获得转角变形，从而精确获得测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。使用方便、可靠性强、实时性好、测量精度高。<!--1-->

Description

高低温环境下精确测量弯刚度的装置

技术领域

本发明涉及构件高低温环境条件下的抗弯刚度测试领域。

背景技术

对结构件进行刚度测试时如无特殊要求通常都是在常温下进行的，现有的刚度测试根据不同的测试要求和应用领域，有多种方法和结构，但是对于处于高低温环境中的构件刚度测试，由于测试工装夹具、加载机构等在高低温环境下会热胀冷缩产生变形，从而影响力的加载、力矩及角度的测量，再者因环境的过冷过热，大多数测试用精密仪器或设备将无法正常使用，影响测试工作的进行。

现阶段高低温下的抗弯刚度测试是在高低温箱内进行的，所述机构件放置在高低温箱内，所述被测件为悬臂梁。专利申请号为CN200810124707.8的“弯扭结构变形的激光放大测量方法”中提到了一种将激光发射器固定在构件待测转角部位上，利用光杠杆原理将微小变形进行放大的一种构件刚度测试方法，可实现非接触式测量。但是，对于高低温下的刚度测试，激光发射器不能位于构件上，且测试过程中，还得考虑到机座的形变量。专利申请号为201110370253.4的“高低温箱内被测件的三维变形测量装置”以及专利申请号为201110370271.2的“高低温箱内机械装置三维微小变形的高精度测量系统”提供一种高低温箱内构件三维变形的测量方法，但是此类方法只能跟随某一点的三维位移，而刚度测试需获得精确的加载力以及力臂的大小。

发明内容

为了克服温度的影响，提高抗弯刚度测试的可靠性及测量精度要求，本发明提供一种可以对结构件进行高低温环境条件下的刚度测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高低温环境下精确测量弯刚度的装置，包括光学镜头、高刚度杆、三维移动平台、激光测量组、高低温箱。

所述高低温箱内通过被测件安装座固定被测件。

所述高刚度杆下端为光滑球面，所述高低温箱顶部设有通孔，所述高刚度杆竖直穿过高低温箱顶部的通孔作用在被测件上，所述三维移动平台位于高低温箱的上方，所述高刚度杆上端通过力传感器与三维移动平台固接。

所述高低温箱顶部和侧面设有观察窗，所述光学镜头通过安装座垂直固定在高刚度杆上，所述光学镜头正对高低温箱顶部观察窗，所述光学镜头内有带有十字准心的分划板。

所述激光测量组包括角锥反光镜、激光头和计算模块，所述激光头固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对，被测件和被测件安装座上各固定有一个角锥放光镜安装座，角锥反光镜安装在角锥反光镜安装座上，每个所述角锥反光镜安装座上的角锥反光镜有两个且间距为定值，每个所述激光头对应一个角锥反光镜。

本发明的测试方法是：

1、常温下，在被测件和被测件安装座的根部中心设一个标定点。

2、调整光学镜头的焦距，使得标定点出现在光学镜头的目镜内，再通过三维移动平台微调高刚度杆的位置，使得标定点与分划板的十字准心中心重合，记光学镜头中心与高刚度杆之间的垂直距离值L。

3、密封高低温箱，使其达到测试所需温度，待温度平稳后，通过三维移动平台控制高刚度杆移动进行加载，同时调整高刚度杆使得标定点位于分划板的十字准心中心，通过传感器直接测量出加载的力值大小F，力臂值为L。

4、通过激光测量组测被测件转角变形：施加弯矩后，被测件变形，激光束反射光程改变，同一角锥反光镜安装座上的两个角锥反光镜间距为d,两者光程之差记为s，则转角变形θ＝arcsin(s/2d)。被测件和被测件安装座上均安装有反射镜，通过计算模块获得被测件上转角变形测量值为θ₁，被测件安装座上转角变形测量值为θ₂，被测件实际转角变形即为θ'＝θ₁-θ₂。

5、通过所测量的作用力F、力臂L、转角变形θ'，绘制能反映被测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。

本发明的设计思路及优点表现在：

高低温环境下，大多数测试用精密仪器或设备将无法正常使用，且被测件底座及被测件会因热胀冷缩产生变形，给抗弯刚度测试增加了很大的难度。本发明采用可移动的高刚度杆进行加载，通过光学镜头保证力臂不变，利用激光测量组获得转角变形，从而精确获得测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。

高刚度杆受高低温环境的影响极小，因此利用高刚度杆加载，可以不考虑高低温环境下加载构件的变形影响；高刚度杆下端为光滑球面，与被测件表面滑动接触，可保证作用力的方向始终竖直，高刚度杆与三维移动平台之间安装有力传感器，能够极为方便的测出作用在被测件上力值的大小。

标定出被测件与被测件根部中心的位置，可以简化为抗弯刚度试验的转角部位。调整标定点位于高低温箱顶部光学镜头分划板的十字准心的中心。由于光学镜头与高刚度杆位于同一平面内，作用力方向不变，因此在高低温环境下测试时只需要重新调整高刚度杆的位置，使得标定点位于分划板的十字准心的中心，则目镜中心线至高刚度杆中心的距离即为力臂大小，且被测件竖直方向的变形不影响力臂的测量及抗弯刚度的测试。光学镜头通过固定座与高刚度杆固连接，不可绕高刚度杆旋转，高刚度杆穿过保温箱且与保温箱之间有一定的间隙，可满足调节时的要求，又不影响高低温箱的密封效果。

被测件的相应转角变形可通过激光测量组进行非接触式测量。其中激光测量组应用了雷达原理、多普勒频差效应及光学外差原理，利用反射镜移动时激光束反射所产生的频移来进行位移测量。在被测件安装座也布置一组激光头及角锥反光镜，测量其角变形量，是为避免工装夹具等受力产生附加变形掺入构件刚度测试中。最后通过计算得到构件两端的变形角，其差值即为构件实际挠曲角，测量精度高。

本发明的有益效果主要表现在：能对被测件进行精确地施加弯矩以及测量挠曲角变形量，且使用方便，可靠性强，具有测量精度高、实时性好、能输出反映构件抗弯刚度特性的弯矩—转角曲线等特点。

说明书附图

图1是高低温环境下精确测量弯刚度的装置示意图

图2是目镜图像示意图

图3是转角测量计算示意图

具体实施方式

结合图1至图3，高低温环境下精确测量弯刚度的装置，包括光学镜头12、高刚度杆8、力传感器9、三维移动平台10、角锥反光镜5、多普勒激光仪等。

所述被测件3及其被测件安装座2放置在高低温箱1内，所述高刚度杆8一端与三维移动平台10固定连接，所述高刚度杆8另一端端部为光滑球面且竖直作用在被测件3上，所述高刚度杆8与三维移动平台10之间安装力传感器9。

所述光学镜头12通过安装座11垂直固定在高刚度杆8上且位于高低温箱1外，所述光学镜头12内有带有十字准心14的分划板，所述光学镜头12正对高低温箱1顶部观察窗7，所述光学镜头12中心与高刚度杆8中心在同一个平面内。

所述被测件3和被测件安装座2的根部中心设一个标定点13。

所述激光测量组包括角锥反光镜5、激光头6和计算模块；所述被测件3和被测件安装座2各安装一个角锥反光镜安装座4，所述角锥反光镜安装座垂直高刚度杆，所述一个角锥反光镜安装座4上安装两个角锥反光镜5，所述两个角锥反光镜5之间的距离为d，所述激光头安装在高低温箱1外且和高低温侧面的观察窗位置相对，所述激光头6发射激光穿过观察窗7经过角锥反光镜5反射，所述每个激光头6对应一个角锥反光镜5。

所述被测件安装座2上的角锥反射镜5及相对于的激光头6不受高刚度杆的影响。

一个角锥反光镜安装座上有两个角锥反光镜，已知其间距为d。如图3所示，初始状态(两只反光镜与光线垂直即AB⊥光线)时，激光头H1、H2向A、B处的两只反光镜分别发射激光并进行接收，此时光程之差为零；施加弯矩后，被测件变形两只反光镜分别移至C、D两处。从而可从两只激光头上分别获取AC、BD在光线方向的距离，两者光程差为s,则delt1＝s/2，所以转角变形θ₁＝arcsin(delt1/d)＝arcsin(s/2d)。同理可得被测件另一端的转角变形θ₂＝arcsin(delt2/d)，所以可得被测件实际转角变形即为θ'＝θ1-θ₂。

Claims (1)

1.高低温环境下精确测量弯刚度的装置，其特征在于：包括光学镜头、高刚度杆、三维移动平台、激光测量组、高低温箱；所述高低温箱内通过被测件安装座固定被测件；

所述高刚度杆下端为光滑球面，所述高低温箱顶部设有通孔，所述高刚度杆竖直穿过高低温箱顶部的通孔作用在被测件上，所述三维移动平台位于高低温箱的上方，所述高刚度杆上端通过力传感器与三维移动平台固接；

所述高低温箱顶部和侧面设有观察窗，所述光学镜头通过安装座垂直固定在高刚度杆上，所述光学镜头正对高低温箱顶部观察窗，所述光学镜头内有带有十字准心的分划板；

所述激光测量组包括角锥反光镜、激光头和计算模块，所述激光头固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对，被测件和被测件安装座上各固定有一个角锥反光镜安装座，角锥反光镜安装在角锥反光镜安装座上，每个所述角锥反光镜安装座上的角锥反光镜有两个且间距为定值，每个所述激光头对应一个角锥反光镜。