CN104406839B - 一种行走式高精度大量程位移检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种行走式高精度大量程位移检测装置，属于机械工程测试技术领域。其特征是该装置由被测量移动轴、轴向移动测量挡板、小量程高精度位移传感器、电动缸缸体、伺服电机、配重砝码等组成。被测量移动轴在加载过程中带动轴向移动测量挡板主要实现向下移动。小量程高精度位移传感器的触头垂直朝向放置用于检测轴向移动测量挡板的位移变化。两套小量程高精度位移传感器安装定位相互错开一定距离保证测量的连续性。两个小量程高精度位移传感器反复交替行走精确定位控制实现了大量程位移的连续高精度测量。本发明的效果和益处是：该装置结构灵巧、布局合理、测量精度高，解决了大量程全范围内的高精度测量问题，具有良好的推广价值。
Description
技术领域
本发明属于机械工程测试技术领域，涉及土力学三轴试验，尤其是一种大量程的高精度位移检测装置。
背景技术
测量土壤的强度和变形而常使用三轴试验仪，该仪器应用广泛，可用于测量多种参数，包括剪切强度和变形特性、固结特点和土壤渗透性。其中一定应力作用下试样轴向位移的变化是个非常重要的测量参数，轴向位移测量精度的高低决定了三轴试验的成败。对于中小型三轴试验仪，试样轴向位移变化区间通常小于150mm，目前现有的线性位移传感器(如：电感式、电阻式，磁环式位移传感器等)基本能满足要求。试样轴向位移变化区间越小，选用的位移传感器的量程越小，整个区间的测量精度越高，反之亦然。然而，对于大型、超大型三轴试验仪，三轴试验过程中试样轴向变形区间可达500mm(针对直径1.0米，高2.5米的圆柱试样，试验中圆柱试样高度变化<20％)，如选用量程为500mm的位移传感器会导致局部测量的精度非常低。因此，大型、超大型三轴试验中，试样轴向位移的全局高精度测量是非常困难的。
目前，国内外还没有针对大型、超大型三轴试验仪专用的大量程高精度测量装置。大量程光栅尺能够保证整个区间的测量精度，由于大型、超大型三轴试验仪通常采用液压伺服系统，施加重载的条件下会产生较强的高频抖动干扰，这就导致了大量程光栅尺会在大噪声背景下产生累积误差，导致测量精度的降低。另外光栅尺断电后无法确认当前位置，需要回零位清零后重新测量。因此，由于无法消除大噪声背景下的累积误差，高精度的大量程光栅尺并不适合在大型、超大型三轴试验仪中应用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种利用高精度小量程位移传感器实现了整个试样轴向大变形区间的高精度连续测量的装置，解决大型、超大型三轴试验中试样轴向大变形的精确测量问题。
本发明采用的技术方案是：一种行走式高精度大量程位移检测装置由两套相同的小量程检测子系统组成。小量程检测子系统由被测量移动轴1，轴向移动测量挡板2，小量程高精度位移传感器3，位移传感器固定支架4，电动缸输出轴5，前加载架立柱6，前电动缸支撑板固定环7，电动缸缸体8，伺服电机9，左配重支柱10，配重下支撑板11，左配重砝码12，后加载架立柱13，后电动缸支撑板固定环14，电动缸支撑板15，配重上支撑板16，位移传感器支架17，前置法兰盘18，右配重支柱19，右配重砝码20等组成。
其中：被测量移动轴1在加载过程中带动轴向移动测量挡板2主要实现向下移动。前加载架立柱6和后加载架立柱13固定于地面上，电动缸支撑板15通过前电动缸支撑板固定环7和后电动缸支撑板固定环14固定于前加载架立柱6和后加载架立柱13上。电动缸缸体8通过前置法兰盘18固定在电动缸支撑板15下方。电动缸输出轴5垂直于电动缸支撑板15，并在电动缸支撑板15上方上下高精度定位移动。电动缸输出轴5的顶端通过位移传感器固定支架4与小量程高精度位移传感器3固定。此外，电动缸输出轴5的顶端通过螺纹连接将配重上支撑板16与左配重支柱10和右配重支柱19固定。配重下支撑板11通过螺纹连接与左配重支柱10和右配重支柱19固定。左配重砝码12和右配重砝码20固定于左配重支柱10和右配重支柱19的下端。小量程高精度位移传感器3的触头垂直朝向放置用于检测轴向移动测量挡板2的位移变化。
本发明的效果和益处是：在被测量移动轴的下方设计了两套完全相同的小量程检测子系统(A系统和B系统)，这两套小量程检测子系统相互错开一定距离(小于量程)，通过精确控制两个小量程高精度位移传感器的位置实现两个小量程高精度位移传感器分时工作，在大量程位移范围内实现连续高精度测量。该装置选用高精度小位移传感器和伺服电机保证了测量和定位精度。配重消除了电动缸中伺服电机、丝杠螺母间隙误差，从根本上保证位移测量的精度。该装置结构灵巧、布局合理、测量精度高，解决了大量程全范围内的高精度测量问题，具有良好推广价值。
附图说明
图1是一种行走式高精度大量程位移检测装置总体结构的主视图。
图中：1被测量移动轴；2轴向移动测量挡板；3小量程高精度位移传感器；4位移传感器固定支架；5电动缸输出轴；6前加载架立柱；7前电动缸支撑板固定环；8电动缸缸体；9伺服电机；10左配重支柱；11配重下支撑板；12左配重砝码。
图2是一种行走式高精度大量程位移检测装置总体结构的俯视图。
图中：13后加载架立柱；14后电动缸支撑板固定环；15电动缸支撑板；16配重上支撑板；17位移传感器支架；6前加载架立柱；7前电动缸支撑板固定环。
图3是一种行走式高精度大量程位移检测装置总体结构的左视图。
图中：1被测量移动轴；2轴向移动测量挡板；5电动缸输出轴；6前加载架立柱；7前电动缸支撑板固定环；8电动缸缸体；9伺服电机；10左配重支柱；11配重下支撑板；12左配重砝码；13后加载架立柱；14后电动缸支撑板固定环；15电动缸支撑板；16配重上支撑板；18前置法兰盘；19右配重支柱；20右配重砝码。
图4是一种行走式高精度大量程位移检测装置总体结构的等轴测图。
图中：5电动缸输出轴；6前加载架立柱；7前电动缸支撑板固定环；8电动缸缸体；9伺服电机；10左配重支柱；11配重下支撑板；12左配重砝码；13后加载架立柱；14后电动缸支撑板固定环；15电动缸支撑板；16配重上支撑板；17位移传感器支架；19右配重支柱；20右配重砝码。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图1～4所示，装配时零件用煤油清洗，晾干后配合表面涂油，各零件不加工表面应清洗干净，除去毛边毛刺，浸涂防锈漆；图1中有两套完全相同的小量程检测子系统，假定左边为A系统和右边为B系统，A系统和B系统均包含了小量程高精度位移传感器、位移传感器固定支架、电动缸输出轴、前电动缸支撑板固定环、电动缸缸体、伺服电机、配重支柱、配重砝码等。下面以A系统为例说明：
根据图1和图2可以看出A系统处于三轴试验仪的左边，B系统处于三轴试验仪的右边。A系统中前加载架立柱6、后加载架立柱13和被测量移动轴1属于原大型、超大型三轴试验仪。前加载架立柱6和后加载架立柱13固定于地面上。大型、超大型三轴试验加载过程中被测量移动轴1向下移动，最大行程可达500mm。同时被测量移动轴1带动轴向移动测量挡板2实现向下移动。移动测量挡板2的弹性变性可忽略，因此，移动测量挡板2的移动状况与被测量移动轴1完全相同。电动缸支撑板15通过前电动缸支撑板固定环7和后电动缸支撑板固定环14固定于前加载架立柱6和后加载架立柱13上。电动缸缸体8通过前置法兰盘18固定在电动缸支撑板15下方。电动缸输出轴5垂直于电动缸支撑板15，并在电动缸支撑板15上方上下高精度定位移动。电动缸输出轴5的顶端通过位移传感器固定支架4与小量程高精度位移传感器3固定。小量程高精度位移传感器3的触头垂直朝向放置用于检测轴向移动测量挡板2的位移变化。
图1中可以发现A、B系统安装定位相互错开一定距离D(该距离D要小于小量程高精度位移传感器3的量程，取量程的80％)保证测量的连续性。测量时B系统首先工作，被测量移动轴1位移的变化到达B系统相应位移传感器量程的80％时，触发A系统工作，这时轴向移动测量挡板2刚好接触到A系统的小量程高精度位移传感器3，滞后一定时间待A系统小量程高精度位移传感器3正常工作后(其间被测量移动轴1位移的变化小于量程的20％)，精确控制B系统位移处感器向下移动距离D的两倍大小，这时轴向位移变化继续增大，被测量移动轴1位移变化到达A系统位移传感器量程的80％时，触发B系统工作，这时轴向移动测量挡板2刚好接触到B系统的位移传感器，滞后一定时间待B系统位移传感器正常工作后，精确控制A系统位移处感器向下移动距离D的两倍大小，这样A系统和B系统反复交替行走精确定位控制实现了大量程位移的连续高精度测量。
电动缸中的伺服电机9采用高精度位置控制式伺服电机，脉冲数为10000个/圈。丝杠的螺距采用5mm，具有较高的运动速度和位置控制精度，能够满足测量要求。小量程高精度位移传感器3的传感元件调理成0-5V/10V的信号电压，经过16位A/D转换由数据采集器接收，然后数据采集器把结果传送给计算机，由计算机判断位移传感器量程的80％的时间节点，根据距离D计算伺服电机9所需的脉冲数，然后控制A系统和B系统中位移传感器的移动距离。
此外，电动缸输出轴5的顶端通过螺纹连接将配重上支撑板16与左配重支柱10和右配重支柱19固定。配重下支撑板11通过螺纹连接与左配重支柱10和右配重支柱19固定。左配重砝码12和右配重砝码20固定于左配重支柱10和右配重支柱19的下端。这样消除了电机、丝杠和螺母之间间隙，大大提高了控制精度。该测量装置结构灵巧，操作方便，制造成本低，具有较高的应用价值。
Claims (2)
1.一种行走式高精度大量程位移检测装置，由两套相同的小量程检测子系统组成，每一个小量程检测子系统包括被测量移动轴(1)，轴向移动测量挡板(2)，小量程高精度位移传感器(3)，位移传感器固定支架(4)，电动缸输出轴(5)，前加载架立柱(6)，前电动缸支撑板固定环(7)，电动缸缸体(8)，伺服电机(9)，左配重支柱(10)，配重下支撑板(11)，左配重砝码(12)，后加载架立柱(13)，后电动缸支撑板固定环(14)，电动缸支撑板(15)，配重上支撑板(16)，位移传感器支架(17)，前置法兰盘(18)，右配重支柱(19)，右配重砝码(20)；其特征在于：被测量移动轴(1)在加载过程中带动轴向移动测量挡板(2)主要实现向下移动，前加载架立柱(6)和后加载架立柱(13)固定于地面上，电动缸支撑板(15)通过前电动缸支撑板固定环(7)和后电动缸支撑板固定环(14)固定于前加载架立柱(6)和后加载架立柱(13)上，电动缸缸体(8)通过前置法兰盘(18)固定在电动缸支撑板(15)下方，电动缸输出轴(5)垂直于电动缸支撑板(15)，并在电动缸支撑板(15)上方上下高精度定位移动，电动缸输出轴(5)的顶端通过位移传感器固定支架(4)与小量程高精度位移传感器(3)固定，此外，电动缸输出轴(5)的顶端通过螺纹连接将配重上支撑板(16)与左配重支柱(10)和右配重支柱(19)固定，配重下支撑板(11)通过螺纹连接与左配重支柱(10)和右配重支柱(19)固定，左配重砝码(12)和右配重砝码(20)固定于左配重支柱(10)和右配重支柱(19)的下端，小量程高精度位移传感器(3)的触头垂直朝向放置用于检测轴向移动测量挡板(2)的位移变化。
2.一种行走式高精度大量程位移测量的方法，其特征在于：实现大量程位移的连续高精度测量，两套完全相同的权利要求1所述的小量程检测子系统，分别为A系统和B系统；A、B系统安装定位相互错开一定距离D保证测量的连续性；该距离D要小于小量程高精度位移传感器(3)的量程，取量程的80％；测量时B系统首先工作，被测量移动轴(1)位移的变化到达B系统相应位移传感器量程的80％时，触发A系统工作，这时轴向移动测量挡板(2)刚好接触到A系统的小量程高精度位移传感器(3)，滞后一定时间待A系统小量程高精度位移传感器(3)正常工作后，其间被测量移动轴(1)位移的变化小于量程的20％，精确控制B系统位移处感器向下移动距离D的两倍大小，这时轴向位移变化继续增大，被测量移动轴(1)位移变化到达A系统位移传感器量程的80％时，触发B系统工作，这时轴向移动测量挡板(2)刚好接触到B系统的位移传感器，滞后一定时间待B系统位移传感器正常工作后，精确控制A系统位移处感器向下移动距离D的两倍大小，A系统和B系统反复交替行走精确定位控制实现了大量程位移的连续高精度测量。
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