CN103604695B - 一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置 - Google Patents

Abstract

一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，包括固定在底座上的两个竖直导轨，在竖直导轨上滑动设置有恒力输出作动器，在所述底座内设置有电路系统，所述电路系统包括电机及其驱动电路、信号放大-线圈驱动电路以及与电机及其驱动电路和信号放大-线圈驱动电路电连接的信号采集和处理电路，电机及其驱动电路通过竖直导轨与恒力输出作动器连接；本发明能够实时而准确测量材料径向形状变化，在轴向、径向及其他载荷动态地加载于材料试件时，能够及时而准确地测量材料在该时刻的准确径向形变量，为科学研究和工程中反应材料工况提供准确的基础数据。

Description

一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置

技术领域

本发明涉及力作动装置技术领域，具体涉及一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置。

背景技术

在科研实验和工程领域中对材料的实时材料径向形变测量具有及其重要的意义。在对材料施加不同形式的载荷时，材料外形和体积均会发生相应的弹塑性变化，在对其施加轴向载荷时，材料轴向的形变可通过载荷施加端测得，而材料在径向的变形很难进行连续且准确测量。现有方法多为在材料某一高度处夹持一特制引伸计，通过引伸计应变的方法测量材料在此径向高度处的两轴变形，从而大致估算材料的径向变形。

由于该方法的粗略性和因引伸计夹持于材料对实验的不利影响，本发明提出一种新的测量方法，并基于该方法设计了一种新型的通过恒力接触材料表面测量材料径向变形的作动装置，可以实现材料在加载过程中的实时且准确的径向形变测量，从而准确测算实验中材料的体积变化。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，能够实时而准确测量材料径向形变变化，在轴向、径向及其他载荷动态地加载于材料试件时，能够及时而准确地测量材料在该时刻的准确体积量，为科学研究和工程中反应材料工况提供准确的基础数据。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，包括固定在底座2上的两个竖直导轨1，在竖直导轨1上滑动设置有恒力输出作动器3，在所述底座内设置有电路系统，所述电路系统包括电机及其驱动电路11、信号放大-线圈驱动电路12以及与电机及其驱动电路11和信号放大-线圈驱动电路12电连接的信号采集和处理电路13；所述恒力输出作动器3包括开有T型空腔的外导磁材料4，外导磁材料4的T型空腔的底部中央设置磁铁5，在外导磁材料4的T型空腔内、磁铁5一端设置内导磁材料15，所述磁铁5与外导磁材料4和内导磁材料15通过铁磁力连接，在所述外导磁材料4和内导磁材料15空隙中的线圈骨架7，在外导磁材料4的T型空腔内、磁铁5两端设置有和外导磁材料4刚性连接的导轨6，所述导轨6也和线圈骨架7连接，限制其只能在水平方向移动，在所述线圈骨架7上缠绕有线圈14，线圈骨架7位于外导磁材料4外部的一端固定有弹性元件8，弹性元件8的另一端连接有施力杆9，施力杆9的另一端安装有滚轮10，所述弹性元件8上设置有应变片16，所述应变片16与信号放大-线圈驱动电路12的IN端电连接，线圈14与信号放大-线圈驱动电路12的OUT端电连接，电机及其驱动电路11通过竖直导轨1与恒力输出作动器3连接。

所述磁铁5为永磁铁或电磁铁。

所述外导磁材料4和内导磁材料15的最大磁通密度和作动装置对力输出的要求相适配。

所述线圈骨架7的骨架材料为环氧树脂或玻璃钢。

所述信号放大-线圈驱动电路12具有驱动感性负载的能力并有10Hz以上的频率-幅值响应。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1）本发明可实现加载-测量的互不干扰。传统的引伸计测量方式测量时，引伸计与材料的接触部分会有不同大小的力，且该部分与材料表面其他部分承受的载荷不同，这会对载荷在材料上的均匀加载造成不利影响。而本发明则会在材料发生变形的同时均匀而快速地测量材料在不同高度的形变，不影响加载的均匀性。

2）由于采用恒力输出的作动器以恒定力的方式接触材料表面，这可以最大程度地减少接触形式不同对加载和测量的影响。

3）与传统的测量方式相比，该测量方式可以获得精确的变形情况，在保证测量实时性的前提下大大提高测量精度。

总之，本发明能够实现精确的实时材料径向形变测量。

附图说明

图1为本发明作动装置结构示意图。

图2为本发明恒力输出作动器和电路系统连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本发明一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，包括固定在底座2上的两个竖直导轨1，在竖直导轨1上滑动设置有恒力输出作动器3，在所述底座内设置有电路系统，所述电路系统包括电机及其驱动电路11、信号放大-线圈驱动电路12以及与电机及其驱动电路11和信号放大-线圈驱动电路12电连接的信号采集和处理电路13；所述恒力输出作动器3包括开有T型空腔的外导磁材料4，外导磁材料4的T型空腔的底部中央设置磁铁5，在外导磁材料4的T型空腔内、磁铁5一端设置内内导磁材料15，所述磁铁5与外导磁材料4和内导磁材料15通过铁磁力连接，在所述外导磁材料4和内导磁材料15空隙中的线圈骨架7，在外导磁材料4的T型空腔内、磁铁5两端设置有和外导磁材料4刚性连接的导轨6，所述导轨6也和线圈骨架7连接，限制其只能在水平方向移动，在所述线圈骨架7上缠绕有线圈14，线圈骨架7位于外导磁材料4外部的一端固定有弹性元件8，弹性元件8的另一端连接有施力杆9，施力杆9的另一端安装有滚轮10，所述弹性元件8上设置有应变片16，所述应变片16与信号放大-线圈驱动电路12的IN端电连接，线圈14与信号放大-线圈驱动电路12的OUT端电连接，电机及其驱动电路11通过竖直导轨1与恒力输出作动器3连接。

作为本发明的优选实施方式，所述磁铁5为永磁铁或电磁铁，能够产生较强的磁场。

所述外导磁材料4和内导磁材料15的最大磁通密度和作动装置对力输出的要求相适配。

所述线圈骨架3采用具有良好散热性、不导磁、不导电的材料。优选的所述线圈骨架7的骨架材料为环氧树脂或玻璃钢。

所述信号放大-线圈驱动电路12具有驱动感性负载的能力并有10Hz以上的频率-幅值响应。

当本发明装置开始工作时，在系统初始化时将恒定力的值输入系统，弹性元件8在未收到力的作用时，其应变片的输出为零，信号放大-线圈驱动电路12输出为某一恒定电流值并通入线圈14从而在其上产生安培力，线圈骨架7及线圈14因受到该力而向前移动。当恒力输出作动器3的滚轮10与材料表面接触后产生力的作用并通过施力杆9传递至弹性元件8，弹性元件8因此发生形变，继而位于弹性元件8上的应变片输出相应的模拟电压值，该模拟电压值送入信号放大-线圈驱动电路12后，后者的输出电流值变小，导致作用在弹性元件8上的力变小，当恒力输出作动器3受到的挤压力等于预先设定的值后，信号放大-线圈驱动电路12输出相应恒定电流值，从而保证滚轮与材料表面有设定值的恒定挤压力。

在保证滚轮与材料表面总是以恒定的力接触后，电机及其驱动电路12带动恒力输出作动器3在竖直导轨上竖直匀速移动，此时滚轮在材料表面匀速滚动。当滚动到某一位置时，若该位置发生形变导致接触无法完成或接触力大于设定值，则恒力输出作动器3将会根据相关情况自动调节位置，使线圈14推动弹性元件8、施力杆9和滚轮10沿导轨6的方向向前或向后移动，以保证滚轮10和材料表面以设定值的力接触，同时滚轮10在水平方向的位置移动通过该电路系统的位置测量与标定，可以由此准确地反应材料的表面形变情况。恒力输出作动器3的运动位置、速度，滚轮的相对位置及信号放大-线圈驱动电路12的相关信息会同步传至信号采集与处理电路13，并由后者进行数据的分析和计算，以获得准确的材料表面形变。

本发明的工作原理为：本发明装置开始工作时，在系统初始化时将恒定力的值输入系统，弹性元件8在未收到力的作用时，其应变片16的输出为零，信号放大-线圈驱动电路12输出为某一恒定电流值并通入线圈14从而在其上产生安培力，线圈骨架7及线圈14因受到该力而向前移动。当恒力输出作动器3的滚轮10与材料表面接触后产生力的作用并通过施力杆9传递至弹性元件8，弹性元件8发生弹性形变时，其左右两侧的应变片16会发生模拟电压输出，其输出量与弹性元件8承受的力在一定范围内具有线性关系，而弹性元件8与其他部件为刚性连接，该力的大小即为输出力的大小，因此该模拟电压输出能够与输出力大小进行线性对应。输出力的大小用应变片16的输出模拟电压所表示，该模拟信号被送入信号放大-线圈驱动电路12进行分析、计算和处理后转换为一定值的恒定电流，该恒定电流被送入线圈14中。由于线圈14所处的位置存在均匀磁场，线圈14有电流流过时即会产生电磁力，该电磁力通过线圈14传递至线圈骨架7，再通过与线圈骨架7连接的弹性元件8和施力杆9以及滚轮10作用于材料表面。当滚轮10竖直移动时，由于材料表面非平直，导致力载荷发生变化，弹性元件8发生新的弹性形变，其左右两侧的应变片16输出与弹簧环受力形成线性关系的模拟电压信号，再由信号放大-线圈驱动电路12产生新的电流输出，从而输出的电磁力大小发生变化，改变弹性元件8的形变程度，以产生稳定的电磁力。另一方面，线圈14及其所在的线圈骨架7由于要实施恒定力的输出，必然要在导轨6上平行移动，其相对位置的变化由信号采集与处理电路13获得。恒力输出作动器3在输出恒定的力之后，其线圈14及其他连接部件的相对位置的确定即为材料的径向形变。

Claims (5)

1.一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，其特征在于：包括固定在底座(2)上的两个竖直导轨(1)，在竖直导轨(1)上滑动设置有恒力输出作动器(3)，在所述底座内设置有电路系统，所述电路系统包括电机及其驱动电路(11)、信号放大-线圈驱动电路(12)以及与电机及其驱动电路(11)和信号放大-线圈驱动电路(12)电连接的信号采集和处理电路(13)；所述恒力输出作动器(3)包括开有T型空腔的外导磁材料(4)，外导磁材料(4)的T型空腔的底部中央设置磁铁(5)，在外导磁材料(4)的T型空腔内、磁铁(5)一端设置内导磁材料(15)，所述磁铁(5)与外导磁材料(4)和内导磁材料(15)通过铁磁力连接，在所述外导磁材料(4)和内导磁材料(15)空隙中的线圈骨架(7)，在外导磁材料(4)T型空腔内、磁铁(5)两端设置有和外导磁材料(4)刚性连接的导轨(6)，所述导轨(6)也和线圈骨架(7)连接，限制线圈骨架(7)只能在水平方向移动，在所述线圈骨架(7)上缠绕有线圈(14)，线圈骨架(7)位于外导磁材料(4)外部的一端固定有弹性元件(8)，弹性元件(8)的另一端连接有施力杆(9)，施力杆(9)的另一端安装有滚轮(10)，所述弹性元件(8)上设置有应变片(16)，所述应变片(16)与信号放大-线圈驱动电路(12)的IN端电连接，线圈(14)与信号放大-线圈驱动电路(12)的OUT端电连接，电机及其驱动电路(11)通过竖直导轨(1)与恒力输出作动器(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，其特征在于：所述磁铁(5)为永磁铁或电磁铁。

3.根据权利要求1所述的一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，其特征在于：所述外导磁材料(4)和内导磁材料(15)的最大磁通密度和作动装置对力输出的要求相适配。

4.根据权利要求1所述的一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，其特征在于：所述线圈骨架(7)的骨架材料为环氧树脂或玻璃钢。

5.根据权利要求1所述的一种通过恒力接触实现材料径向形变测量的作动装置，其特征在于：所述信号放大-线圈驱动电路(12)具有驱动感性负载的能力并有10Hz以上的频率-幅值响应。