CN103499496B - 深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置 - Google Patents

Abstract

深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置，包括激光位移传感器、高刚度杆、激光测量组、力传感器、升降装置、高低温箱，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升降装置固接，激光位移传感器和激光测量组安装在高低温箱外且和观察窗位置相对。本发明采用高刚度杆进行加载，不改变作用力的方向，利用激光位移传感器获测量力臂，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

深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置

技术领域

本发明涉及构件深冷高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，本发明提供一种基于激光测量组、光学镜头和移动平台的在深冷高温环境条件下对结构件进行抗弯刚度测试的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置，包括激光位移传感器、高刚度杆、激光测量组、力传感器、升降装置、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，所述高刚度杆竖直穿过高低温箱作用在被测件上，所述升降装置位于高低温箱的上方，所述高刚度杆上端通过力传感器与升降装置固接。

所述高低温箱侧面设有观察窗，所述激光位移传感器安装在高低温箱外且和观察窗位置相对，所述激光位移传感器的测量点靠近被测件与被测件安装座连接的根部。

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，所述角锥反光镜通过角锥反光镜安装座分别固定在被测件末端和被测件安装座上，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，所述每个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，利用激光位移传感器测量测量出其到高刚度杆之间的垂直距离S₁。

2、密封高低温箱，使其达到测试所需温度，待温度平稳后，控制升降装置上下移动，通过高刚度杆对被测件进行加载，通过传感器直接测量出加载的力值大小F。

3、微调激光位移传感器的位置，沿S₁方向测量激光位移传感器到被测件安装根部的位移，则力臂值L＝S₂-S₁。

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。本发明采用高刚度杆进行加载，不改变作用力的方向，利用激光位移传感器获测量力臂，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不受被测件变形的影响；高刚度杆与升降装置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。

常温下，激光位移传感器测量方向与被测件根部到高刚度杆之间的力臂方向平行，测量值减去高刚度杆与激光位移传感器之间的距离值即为力臂大小。高低温环境下，由于被测件底座及被测件的热胀冷缩产生变形，激光位移传感器测量点发生改变，激光位移传感器沿测量方向的距离发生变化，即横向变化，由于刚高度杆作用力方向不发生改变，因此纵向变化不影响力臂的测量，高低温环境下被测件安装座发生偏转的角度极小，测量点发生偏转产生的横向误差基本可以忽略，因此，可认为激光测量值的变化即为力臂的变化量，高低温下的测量值减去高刚度杆与激光位移传感器之间的距离值即为力臂大小。

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。

附图说明

图1是深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置示意图

图2是转角测量计算示意图

具体实施方式

结合图1至图2，深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置，包括激光位移传感器7、高刚度杆6、角锥反光镜4、激光测量组、力传感器10、升降装置11等。

所述被测件3及其被测件安装座2放置在高低温箱内，所述高刚度杆6一端与升降装置11固定连接，所述高刚度杆6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6与升降装置11之间安装力传感器10。

所述激光位移传感器7安装在高低温箱1外，所述激光位移传感器7测量的方向与力臂方向平行，所述激光位移传感器7的测量点靠近被测件3与被测件安装座2的根部。

所述激光测量组包括角锥反光镜4、激光头8和计算模块；所述被测件3和被测件安装座2上各安装一个角锥反光镜安装座5，所述角锥反光镜安装座5垂直高刚度杆6，所述一个角锥反光镜安装座5上安装两个角锥反光镜4，所述两个角锥反光镜4之间的距离为d，所述激光头8安装在高低温箱1外且和高低温侧面的观察窗9位置相对，所述激光头8发射激光穿过观察窗9经过角锥反光镜4反射，所述每个激光头8对应一个角锥反光镜4。

所述激光位移传感器、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2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)

1.一种深冷高温环境下的抗弯刚度测试装置，包括激光位移传感器、高刚度杆、激光测量组、力传感器、升降装置、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，所述高刚度杆竖直穿过高低温箱作用在被测件上，所述升降装置位于高低温箱的上方，所述高刚度杆上端通过力传感器与升降装置固接；

所述高低温箱侧面设有观察窗，所述激光位移传感器安装在高低温箱外且和观察窗位置相对，所述激光位移传感器(7)测量的方向与力臂方向平行，所述激光位移传感器(7)的测量点靠近被测件(3)与被测件安装座(2)的根部；

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，所述角锥反光镜通过角锥反光镜安装座分别固定在被测件末端和被测件安装座上，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，所述每个激光头对应一个角锥反光镜。