CN104567655A - 一种动态量测角位移的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态量测角位移的装置及方法，该装置将金属板a固定在结构面a上，金属板b固定在结构面b上，金属板a和金属板b均连接有的螺纹套筒，螺纹套筒外接有套筒，在套筒内设置限位孔；精密螺纹丝杠装填在螺纹套筒之中，精密螺纹丝杠的一端外接有方形杆，方形杆穿过限位孔，在方形杆与套筒之间设置金属应变载片，金属应变载片上贴有应变片，应变片通过电导线连接于应变数据采集仪。本发明将绕轴心转动的角位移转换成指定方向的线位移，以应变片技术动态测量值为依据，有利于在地震、机电振动等快速加载条件下工程结构部件间快速动态变化的角位移的测量，适合在小尺寸模型试验中或工程监测中采用。

Description

一种动态量测角位移的装置及方法

技术领域

本发明属于地震工程结构变形实时监测的技术领域，尤其适于在地震、机电振动等快速加载条件下的工程结构部件间角位移的快速动态变形测量，适合在小尺寸模型试验中或工程监测中采用，特别是将动态角位移量测转变成线位移量测的一种动态量测角位移的装置。

背景技术

在地震、机电振动等动载作用下，结构部件间会产生持续的相对角位移的动态快速变化，如测量土建工程中的钢结构悬臂梁固结端动态角位移。该角度变化值大小将直接关系到结构的可靠度以及评价塑性角的产生与发展，继而在某些情况下会严重降低结构的使用期限，会关系到工程结构的抗震安全与否。目前，角位移测量装置大多是基于光栅、角位移传感器等运用电子传感器来直接测量角位移的。较本发明来说所采用的直接测量角位移的装置安装要求高，结构体型较大，造价昂贵，往往局限于测量缓慢变化的角位移，不利于在地震、机电振动等高频荷载作用下的快速动态变化的角位移的测量，且不适用于在土木结构模型动载试验中一次性大量采用。另外基于精密螺纹丝杠将动态角位移量测转换成指定方向的线位移量测的装置在土木工程结构快速变形的实时监测的技术领域中尚未见报导。

发明内容

本发明是一种动态量测角位移的装置，克服现有装置不能方便应用于工程结构部件间快速动态变化角位移的测量以及小尺寸模型试验和工程实时监测中；解决现有角位移测量装置安装要求高，造价昂贵，不利于在土木结构模型动载试验中一次性大量采用的现状。

本发明的技术方案是：

本发明的一种动态量测角位移的装置，包括金属板a、金属板b、螺纹套筒、套筒、限位孔、精密螺纹丝杠、方形杆、金属应变载片、应变片、应变数据采集仪、结构面a和结构面b；金属板a固定在结构面a上，金属板b固定在结构面b上，金属板a和金属板b均连接有螺纹套筒，螺纹套筒外接有套筒，套筒内设置限位孔；精密螺纹丝杠装填在螺纹套筒中，精密螺纹丝杠的一端外接方形杆，方形杆穿过限位孔，方形杆与套筒之间设置金属应变载片，金属应变载片上贴有应变片，应变片通过电导线连接于应变数据采集仪。

在实际应用中，应在螺纹套筒和精密螺纹丝杠之间以及限位孔处添加适量机油，以保证构件相互作用时的光滑性，减少动态角位移量测误差。

对于不同结构的测量精度要求，可改变弯曲应变载片的形状以达到所需精度。采用避免测量设备对所测结构产生反向约束作用的弯曲应变载片，一般选用刚度小、质量轻的弯曲应变载片。

本发明将动态角位移转变成指定方向的线位移，并根据线位移和弯曲应变载片应变量测值的比例关系，利用技术成熟的应变片技术动态量测线位移，最后反推出角位移的值。其测值可靠，数据分析简单，利于地震、机电振动等短时快速加载过程中结构动态角位移的量测。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明的装置沿轴心的平面剖视图。

图3是本发明的螺纹套筒、金属板、套筒和方形孔装配示意图。

图中：1金属板a，2金属板b，3螺纹套筒，4套筒，5限位孔，6精密螺纹丝杠，7方形杆，8金属应变载片，9应变片，10应变数据采集仪，11结构面a，12结构面b。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施例。

如图所示，在金属板a的一条边上间段布置螺纹套筒3，在金属板b的一条边上也间断布置带螺纹套筒3，确保螺纹套筒3的中心轴与两金属板下表面的转动轴重合。在螺纹套筒3的一端外接一个与螺纹套筒3等直径的套筒4，保证金属套筒5和螺纹套筒3的中心轴处在同一直线上，并在套筒4中设置一个限位孔5。

如图所示，螺纹套筒3相互之间咬合在一起，使两金属板能绕螺纹套筒3的中心轴转动。将精密螺纹丝杠6装填在螺纹套筒3中，确保螺纹套筒3的螺纹和精密螺纹丝杠6的螺纹咬合在一起。根据螺纹的特性，螺纹套筒3转动的角度与精密螺纹丝杠6沿指定方向前进或后退的距离是成比例的，其比例系数为ξ，这就建立了结构面动态角位移θ与精密螺纹丝杠沿指定方向线位移L的数值关系。其表达关系式如下：

θ＝ξL

在精密螺纹丝杠6的一端外接方形杆7，并使方形杆恰好穿过布置在套筒4内的限位孔6，以保证在测量过程中精密螺纹丝杠4不会转动，只能沿着指定方向运动，从而保证测量的精确性。

在套筒4和方形杆7之间连接弯曲应变载片8，并在弯曲应变载片8上贴上应变片9。弯曲应变载片8的刚度小，质量轻，基本避免了测量设备对所测结构的反向约束作用。在测量过程中，应保证弯曲应变载片始终处在弹性范围内。应变片9的应变量测值是通过应变数据采集仪10实时监测跟踪的。根据应变片9的应变量测值ε与精密螺纹丝杠6的线位移L的比例关系，其比例系数为a。则可以确定出应变量测值ε和线位移的L数值表达式，其表达式如下所示：

ε＝aL

最后联立两表达式可以得出结构面动态角位移θ和应变量测值ε的数值关系，其表达式如下所示：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\ξ}}{a}\mathrm{\ϵ}$

金属板a是固定在结构面a上的，金属板b是固定在结构面b上的。在两结构面交线处挖出一部分，放入螺纹套筒，使装置能很好的固定在结构面上。则金属板的转动角位移就等于结构面的角位移。

通过这个装置，这就将空间动态角位移量测问题转转变成了线位移量测问题，继而可以利用成熟的应变片测量技术实时快速监测结构的动态角位移变化。

Claims (3)

1.一种动态量测角位移的装置，其特征在于：

该装置包括金属板a、金属板b、螺纹套筒(3)、套筒(4)、限位孔(5)、精密螺纹丝杠(6)、方形杆(7)、金属应变载片(8)、应变片(9)、应变数据采集仪(10)、结构面a和结构面b；金属板a固定在结构面a上，金属板b固定在结构面b上，金属板a和金属板b均连接有螺纹套筒(3)，螺纹套筒(3)外接有套筒(4)，套筒(4)内设置限位孔(5)；精密螺纹丝杠(6)装填在螺纹套筒(3)中，精密螺纹丝杠(6)的一端外接有方形杆(7)，方形杆(7)穿过限位孔(5)，方形杆(7)与套筒(4)之间设置金属应变载片(8)，金属应变载片(8)上贴有应变片(9)，应变片(9)通过电导线连接于应变数据采集仪(10)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：采用避免测量设备对所测结构产生反向约束作用的弯曲应变载片。

3.采用权利要求1或2所述装置动态量测角位移的方法，其特征在于以下步骤：

在金属板a的一条边上间段布置螺纹套筒(3)，在金属板b的一条边上也间断布置带螺纹套筒(3)，确保螺纹套筒(3)的中心轴与两金属板下表面的转动轴重合；在螺纹套筒(3)的一端外接一个与螺纹套筒(3)等直径的套筒(4)，保证金属套筒(5)和螺纹套筒(3)的中心轴处在同一直线上，并在套筒(4)中设置一个限位孔(5)；

螺纹套筒(3)相互之间咬合在一起，使两金属板能绕螺纹套筒(3)的中心轴转动；将精密螺纹丝杠(6)装填在螺纹套筒(3)中，确保螺纹套筒(3)的螺纹和精密螺纹丝杠(6)的螺纹咬合在一起；根据螺纹的特性，螺纹套筒(3)转动的角度与精密螺纹丝杠(6)沿指定方向前进或后退的距离是成比例的，其比例系数为ξ，建立结构面动态角位移θ与精密螺纹丝杠沿指定方向线位移L的数值关系；其表达关系式如下：

θ＝ξL

在精密螺纹丝杠(6)的一端外接方形杆(7)，并使方形杆恰好穿过布置在套筒(4)内的限位孔(6)，以保证在测量过程中精密螺纹丝杠(4)不会转动，只能沿着指定方向运动；

在套筒(4)和方形杆(7)之间连接弯曲应变载片(8)，并在弯曲应变载片(8)上贴上应变片(9)；应变片(9)的应变量测值是通过应变数据采集仪(10)实时监测跟踪的；根据应变片(9)的应变量测值ε与精密螺纹丝杠(6)的线位移L的比例关系，其比例系数为a；则确定出应变量测值ε和线位移的L数值表达式，其表达式如下所示：

ε＝aL；

联立两表达式得出结构面动态角位移θ和应变量测值ε的数值关系，其表达式如下所示：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\ξ}}{a}\mathrm{\ϵ}.$