CN103543075B - 高低温环境下抗弯刚度测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

高低温环境下抗弯刚度测试方法及装置，包括高分辨率相机、高刚度杆、升降装置等、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，高分辨率相机固定在高低温箱顶部的观察窗上，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。本发明采用高刚度杆进行力的加载，不改变作用力的方向，利用高分辨率相机获取力臂值，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。

Description

高低温环境下抗弯刚度测试方法及装置

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：

高低温环境下抗弯刚度测试装置，包括高分辨率相机、高刚度杆、升降装置、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。

所述高低温箱顶部和侧面设有观察窗，所述高分辨率相机固定在高低温箱顶部的观察窗上。

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。

所述被测件与安装座连接的根部设一个标定点，所述标定点到高刚度杆之间的垂直距离为常温情况下抗弯刚度测试的力臂。所述高分辨率相机可拍摄任意温度下标定定点的位置图像。

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，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、在常温下，将标准钢尺固定在标定点所在的水平平面上，标准钢尺与高分辨率相机焦平面平行，利用高分辨率相机记录标定点的像素位置，通过标准钢尺上的刻度尺寸获得图像像素与实际尺寸之间的比例关系，记录标定点到高刚度杆中心的垂直距离L₁。

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、利用高分辨率相机拍摄图像，与常温环境下拍摄的初始图像进行比较，获得标定点沿力臂方向的偏移距离ΔL，当前高低温环境下力臂值为L＝L₁+ΔL。

4、所述高分辨率相机也可以拍摄出标定点到高刚度杆加载点之间的全副图像，通过常温下和高低温下的拍摄图像和图像像素与实际尺寸之间的比例关系直接得到力臂值L的大小。

5、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。

6、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力的加载，不改变作用力的方向，利用高分辨率相机获取力臂值，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，高刚度杆与升降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。

在极高或极低的温度下，被测件及其安装座会产生一定的变形，力臂值很难准确测量；本发明采用图像处理的方法，常温情况下测量出高刚度杆作用的力臂大小，并记录一个标定点，标定点到高刚度杆之间的垂直距离即为力臂值，利用高分辨率相机拍摄出标定点的位置图像，然后在高低温环境下测试时，再拍摄另一张位置图像，根据图像像素与实际尺寸之间的关系，分析两张图像获得标定点沿原力臂方向的偏移距离ΔL，计算出当前高低温环境下力臂值。图像处理技术已经非常成熟，分辨率越高，精确度越高。高分辨率相机是固定安装在高低温箱顶部的观察窗上，可清晰拍摄出高低温箱内的标定点图像，且安装方便，测试时不受高低温箱内温度的影响。

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是高低温环境下抗弯刚度测试方法及装置示意图

图2是转角测量计算示意图

具体实施方式

结合附图，一种高低温环境下抗弯刚度测试方法及装置，包括高分辨率相机10、高刚度杆7、激光测量组、力传感器8、升降装置9等。

所述被测件2及其被测件安装座5放置在高低温箱1内，所述高刚度杆7一端与升降装置9固定连接，所述高刚度杆7另一端端部为光滑球面且竖直作用在被测件2上，所述高刚度杆7与升降装置9之间安装力传感器8。

所述高分辨率相机10固定在高低温箱1顶部的观察窗11上，所述被测件2与安装座5连接的根部设一个标定点12，所述标定点12到高刚度杆7之间的垂直距离为常温情况下抗弯刚度测试的力臂值。所述高分辨率相机10可拍摄任意温度下标定定点12的位置图像。

所述激光测量组包括角锥反光镜4、激光头6和计算模块；所述被测件2末端和被测件安装座各安装一个角锥反光镜安装座3，所述角锥反光镜安装座3垂直高刚度杆7，所述一个角锥反光镜安装座3上安装两个角锥反光镜4，所述两个角锥反光镜4之间的距离为一定值d，所述激光6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发射激光经过角锥反光镜4反射得到激光频率的多普勒频移，每个所述激光头6对应一个角锥反光镜4。

所述被测件安装座3上的角锥反射镜4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.高低温环境下抗弯刚度测试装置，其特征在于：包括高分辨率相机、高刚度杆、升降装置、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；

所述高低温箱顶部和侧面设有观察窗，所述高分辨率相机固定在高低温箱顶部的观察窗上；

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，每个所述激光头对应一个角锥反光镜。