CN105606016B - 一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置及方法，其装置包括基座、空间应变传感器组以及三轴倾角传感器，所述空间应变传感器组和三轴倾角传感器都固定安装在基座上，所述空间应变传感器组包括六个应变传感器，应变传感器在局部坐标系中排列成可测量三个方向正应变和三个方向切应变的空间应变传感器组，三轴倾角传感器固定在空间应变传感器组中构成一个共同旋转和变形的整体。测量时先测算得到局部坐标系到整体坐标系的旋转矩阵，然后将局部坐标系中的应变分量换算到整体坐标系中。此方案适用于建筑等方面的应变测量。

Description

一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置及方法

技术领域

本发明涉及固体材料的三维空间应变测量，尤其涉及一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置及方法。

背景技术

许多工程都需要在主应变方向未知的情况下测量主应变，在实验室测量中，一般可通过在同一测点上精确布置多个应变传感器来实现这一目的。然而在现场测量中，应变传感器的安装常常会受到安装位置作业不便(例如仰焊、仰贴)、施工荷载扰动(例如焊接在钢筋上的应变计位置容易随钢筋方向偏转)、外力冲击(例如混凝土土振捣)等不利因素的影响使得所安装的应变计的安装轴线很难精确定位，从而导致应变传感器的测量方向不准确，产生较大误差。

中华人民共和国国家知识产权局于2012年08月15日公开了名称为“三向应变测量装置”的专利文献(公开号：CN102636105A)，其由温度补偿钢板、工作三向电阻应变片、温度补偿三向电阻应变片、塑料保护罩、绝缘硅胶层、石蜡薄层、不锈钢外壳、磁钢、导线紧固环以及导线组成；通过贴在温度补偿钢板上的三片三向电阻防水应变片和贴在被测钢结构表面的一片三向应变片组成三个全桥应变测量桥路，来实现钢结构测点的三向应变的测量。此方案仍然存在应变计安装轴线难以精确定位从而导致测量结果不准确的问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术存在的主应变方向未知或应变传感器难以精确固定的现场条件下，应变计难以准确测量混凝土、地基土等体积材料中主应变大小和方向的问题，提供一种可以在主应变方向未知或应变测量设备的轴线不能精确定位情况下仍然实现高精度测量的基于三轴倾角定位的空间应变测量装置及方法。

针对上述技术问题，本发明通过下述技术方案进行解决：一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，包括基座、空间应变传感器组以及三轴倾角传感器，所述空间应变传感器组和三轴倾角传感器都固定安装在基座上，所述空间应变传感器组包括六个应变传感器，第一应变传感器、第二应变传感器和第三应变传感器的中轴线以不共面的方式相交于一点；第四应变传感器的中轴线处于第一应变传感器的中轴线和第二应变传感器的中轴线所构成的平面上，第一应变传感器的中轴线和第二应变传感器的中轴线分别与第四应变传感器的中轴线相交；第五应变传感器的中轴线处于第一应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线所构成的平面上，第一应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线分别与第五应变传感器的中轴线相交；第六应变传感器的中轴线处于第二应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线所构成的平面上，第二应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线分别与第六应变传感器的中轴线相交；基座安装有应变传感器的面板都与被测体固定连接。

第一应变传感器的中轴线、第二应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线作为局部坐标系的三条轴线。应变传感器在局部坐标系中排列成可测量三个方向正应变和三个方向切应变的空间应变传感器组，三轴倾角传感器固定在空间应变传感器组中构成一个共同旋转和变形的整体。第一应变传感器、第二应变传感器和第三应变传感器主要用于测量正应变，此三个传感器的中轴线交于一点并相互垂直；第三应变传感器、第四应变传感器和第五应变传感器主要用于测量切应变，此三个传感器中的任一传感器的布置方式为选取前述三个应变传感器中的两个并与之中轴线共面，但是不平行。

作为优选，所述基座包括四个面板，第一面板、第二面板和第三面板相互垂直，第四面板与第三面板垂直，第一应变传感器安装在第一面板和第三面板的夹角上，第二应变传感器安装在第二面板和第三面板的夹角上，第三应变传感器安装在第四面板上，第四应变传感器安装在第三面板上，第五应变传感器安装在第一面板上，第六应变传感器安装在第二面板上。

传感器贴合在面板上，当面板发生形变时，传感器即可检测到形变量。

作为优选，所述三轴倾角传感器安装在第一应变传感器的中轴线和第二应变传感器的中轴线的交点处。

三轴倾角传感器安装在局部坐标系的原点处，可以简化计算过程并平衡各个方向上的检测精度。

作为优选，所述四个面板上均开有固定孔，至少一个面板通过螺栓连接到焊接在钢筋上的带螺孔固定块上，应变传感器和三轴倾角传感器表面均匀涂覆有环氧树脂。

基座的各个面板都需要固定到被测体上，面板也可以通过其他方式与被测体连接。

所述应变传感器为电阻式应变传感器或振弦式应变传感器或光栅式应变传感器。

传感器的具体参数性能需要根据待测体尺寸、测量精度与测量环境的要求进行选择。

一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，包括以下步骤：

a、选择整体坐标系；

b、将空间应变测量装置的局部坐标系与整体坐标系对齐，记录三轴倾角传感器的初始三轴倾角数值；

c、在测量点固定安装空间应变测量装置，安装完成以后记录三轴倾角传感器的固定三轴倾角数值；根据初始三轴倾角数值和固定三轴倾角数值解算空间姿态，求出空间应变测量装置安装之后的局部坐标系到整体坐标系的三维坐标旋转矩阵；

d、通过读数仪读取每个应变传感器在所需测量工况下的读数；

e、在局部坐标系下解算出各个空间应变分量，然后依据三维坐标旋转矩阵对局部坐标系下的空间应变分量进行坐标变换旋转到整体坐标系中，得到整体坐标系下的各个应变分量。

作为优选，整体坐标系的至少一条轴线为待测体的轮廓线、地磁方向线或建筑物的轴线。

整体坐标系应当根据测量要求并考虑操作的便利性，从易于辨识和校准且相对恒定的定位线中选择，并在现成用标记线标出。

作为优选，所述步骤b中，将空间应变测量装置局部坐标系与整体坐标系对齐具体为：将空间应变测量装置放置于可做三轴倾角调整的平台上，进行精细调整使得空间应变测量装置的三个局部坐标轴分别平行于整体空间坐标系的轴线。

作为优选，步骤c中，固定安装空间应变测量装置时将三轴传感器所在位置作为固定中心点牢固固定在待测体内部的测点上，限制空间应变测量装置的平移。

三轴传感器安装完以后不能发生平动位移，但是可以视现场条件容许发生少量转动位移。

作为优选，步骤d中，读取到各个应变传感器的读数之后，根据当前温度对读数进行修正，然后进行后续步骤。

各个应变传感器的读数读取应同步进行，并考虑温度变化对应变读数的影响以提高测量精度，如上述装置使用中仍有发生偏转的可能性，应同时读取记录三轴倾角传感器的坐标旋转参数。

本发明所带来的实质性效果是，装置可在室内预先精确组装后再拿到现场使用，因而适应性强、精度高，可兼容现有应变测量设备和三轴倾角感应设备，求出空间应变分量的大小和方向的步骤简单；同时，由于降低了安装空间应变传感器时的安装角度和轴线对中要求，简化了传感器安装的步骤，能够更好地节省测量准备时间和减少测量误差。

附图说明

图1是本发明的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置示意图；

图2是本发明的另一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置示意图；

图中：1、第一应变传感器，2、第二应变传感器，3、第三应变传感器，4、第四应变传感器，5、第五应变传感器，6、第六应变传感器，7、第一面板，8.第二面板，9、第三面板，10、第四面板，11、三轴倾角传感器，21、第一应变计，22、第二应变计，23、第三应变计，24、第四应变计，25、第五应变计，26、第六应变计，27、金属基座，28、支杆。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1所示的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，包括基座、空间应变传感器组以及三轴倾角传感器11，空间应变传感器组和三轴倾角传感器11都固定安装在基座上，空间应变传感器组包括六个应变传感器，第一应变传感器1的中轴线、第二应变传感器2的中轴线和第三应变传感器3的中轴线以不共面的方式相交于一点；第四应变传感器4的中轴线处于第一应变传感器1的中轴线和第二应变传感器2的中轴线所构成的平面上，第一应变传感器1的中轴线和第二应变传感器2的中轴线分别与第四应变传感器4的中轴线相交于不同的两点；第五应变传感器5的中轴线处于第一应变传感器1的中轴线和第三应变传感器3的中轴线所构成的平面上，第一应变传感器1的中轴线和第三应变传感器3的中轴线分别与第五应变传感器5的中轴线相交于不同的两点；第六应变传感器6的中轴线处于第二应变传感器2的中轴线和第三应变传感器3的中轴线所构成的平面上，第二应变传感器2的中轴线和第三应变传感器3的中轴线分别与第六应变传感器6的中轴线相交于不同的两点；基座安装有应变传感器的面板都与被测体固定连接。

第一应变传感器1的中轴线作为局部坐标系的x'轴，第二应变传感器2的中轴线作为局部坐标系的y'轴，第三应变传感器3的中轴线作为局部坐标系的z'轴，三条中轴线两两垂直。

基座包括四个面板，第一面板7、第二面板8和第三面板9相互垂直，第四面板10与第三面板9垂直，第一应变传感器1安装在第一面板7和第三面板9的夹角上，第二应变传感器2安装在第二面板8和第三面板9的夹角上，第三应变传感器3安装在第四面板10上，第四应变传感器4安装在第三面板9上，第五应变传感器5安装在第一面板7上，第六应变传感器6安装在第二面板8上。三轴倾角传感器11安装在第一应变传感器1的中轴线和第二应变传感器2的中轴线的交点处。

金属基座采用2mm～6mm薄钢板冲压、焊接或粘贴而成。本方案选用6个电阻应变片粘贴固定在金属基座上，考虑到混凝土粗骨料的尺寸，采用敏感栅长度为80mm，电阻值为120Ω的电阻应变片，各应变片轴线的交点连线构成一个直角四面体，其直角边长均为l，斜边长均为从而构成一个可测出空间主应变方向和大小的应变传感器组。

三轴倾角传感器采用Invensense公司的MPU9150模块，该模块配备了三轴陀螺仪+三轴加速度+三轴磁场感应功能，固定粘贴于靠近应变片轴线相交的角部。MPU9150数据采集与处理选用Arduino UNO单片机，空间姿态解算利用MPU9150模块内置的Digital MotionProcesser完成。

作为防水保护措施，应变片和三轴倾角传感器粘贴完成后均在其表面均匀涂覆环氧树脂，并采用护线管对传感器导线进行保护。

一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，包括以下步骤：

a、定出整体坐标系，在测点附近选择一个便于操作的位置，本案例中在水平面上选择一个方向作为x向，将与之垂直的水平方向作为y向，铅垂方向作为z向，并在施现场用标志线在测点附近标出这三个方向；

b、在测点附近将空间应变测量装置固定在可精确调节三维倾角的仪器云台上，通过精细调整使空间应变测量装置的三个局部坐标轴x'y'z'分别平行于整体空间坐标轴xyz，调节完成后利用Arduino UNO单片机读取求解此时的空间姿态四元数，并进行三维倾角初始读数的记录；

c、在测点位置的钢筋(如测点无钢筋通过可通过在测点位置增设箍筋或架立钢筋解决)上焊接带螺孔的固定块，采用螺丝固定本空间应变测量装置，并在安装固定过程中记录三轴倾角传感器的坐标旋转参数，待固定完毕后，根据坐标旋转参数求出应变分量在整体坐标中的三维坐标旋转矩阵；

d、采用DH3819型应变测试系统读取每个应变片在所需测量工况下的应变值，设各个应变片的应变值分别为ε₁～ε₆(第一应变片为ε₁，第二应变片为ε₂，以此类推)，并采用温度补偿片作为温度修正措施；

e、在局部坐标系下解算出各个三轴应变分量，然后对局部坐标系下的应变分量进行坐标变换旋转到整体坐标中，得到整体坐标下的各个应变分量，进而推出主应变大小与实际方向。

所述的步骤a中，整体空间坐标轴选择铅垂方向为z轴，当混凝土构件水平方向有两个正交边时，选择长边方向为x轴，短边为y轴，当混凝土构件为圆形或不规则形状时，取建筑物纵向为x轴，横向为y轴；

所述的步骤b中，在三轴倾角传感器的三轴倾角数值进行初始化时应将其空间应变测量装置整体稳定地放置于三轴云台上，并调整云台做仰俯、摇摆、滚动三轴精细调整使空间应变测量装置的三个局部坐标轴分别平行于整体空间坐标轴；

所述的步骤c中，固定安装空间应变测量装置时应将三轴传感器所在位置作为中心点与待测点对齐，但安装角度无需做特定要求，固定时通过螺栓、粘贴或焊接限制该装置的平动；

所述的步骤d中，通过东华DH3819型应变测试系统同步读取各个应变传感器的读数，为提高精度应采用温度补偿应变片对工作应变片进行补偿；如上述装置仍有发生偏转的可能性，应同时读取记录三轴倾角传感器的坐标旋转参数；

所述的步骤e中，应先在局部坐标下求出各个应变分量，本案例中的具体方法为：

ε_x＝ε₁，ε_y＝ε₂，ε_z＝ε₃，

然后根据三轴旋转矩阵做坐标变换得到整体坐标下的应变分量，如用应变张量形式描述，应有：

ε_i'j'＝ε_i'j'n_ii'n_jj'

其中，i,j＝x,y,z，i',j'＝x',y',z'，n_ii,n_jj'为新旧对应坐标轴的方向余弦。

实施例2：图2展示了利用埋入式振弦式应变计制作具有三轴倾角定位功能的空间应变测量装置的思路。为满足应变计和三轴倾角传感器的固定要求，设计了图2中的金属基座27，其采用直径为5cmm～8cm厚度约4cm的圆柱钻孔、切削而成。该方案选用6个BGEOKON公司的BGK4210型埋入式振弦式应变计，由于该型号应变计自带端头固定孔，可以很方便地通过支杆28固定在金属基座27上，其中第一应变计21、第二应变计22和第三应变计23分别安装在局部坐标系对应的直角坐标轴x'y'z'上，而第四应变计24、第五应变计25和第六应变计26三个则安装在x'o'y',x'o'z'和y'o'z'的角平分线上，从而构成空间应变传感器组。

三轴倾角传感器11采用Invensense公司的MPU9250模块，该模块配备了三轴陀螺仪+三轴加速度+三轴磁场感应功能，固定粘贴于靠近应变计轴线相交的角部，在金属基座预先切出的凹槽位置处。MPU9250数据采集与处理选用Arduino UNO单片机，空间姿态解算利用MPU9250模块内置的Digital Motion Processer完成。

作为防水保护措施，三轴倾角传感器粘贴完成后在其表面涂覆环氧树脂作为保护。

本装置对应的空间应变测量方法，包括以下步骤：

a、定出整体坐标系，在测点附近选择一个便于操作的位置，在水平面上选择一个方向作为x向，将与之垂直的水平方向作为y向，铅垂方向作为z向，并在施现场用标志线标出这三个方向；

b、在标志线附近将空间应变测量装置固定在可精确调节三维倾角的仪器云台上，通过精细调整使空间应变测量装置的三个局部坐标轴x'y'z'分别平行于整体空间坐标轴xyz，调节完成后利用Arduino UNO单片机读取求解此时的空间姿态四元数，并进行三维倾角初始读数的记录；

c、在测点位置的钢筋(如测点无钢筋通过可通过在测点位置增设箍筋或架立钢筋解决)上焊接金属基座27，并根据情况采用铁丝或夹具作为辅助固定措施，在安装固定过程中记录三轴倾角传感器的坐标旋转参数，待固定完毕后，根据坐标旋转参数求出应变分量在整体坐标中的三维坐标旋转矩阵；

d、采用GEOKON公司的BGK-Micro40型自动化数据采集器读取每个应变计在所需测量工况下的应变值，设各个应变计的应变值分别为ε₁～ε₆(第一应变计为ε₁，第二应变计为ε₂，以此类推)，根据BGK4210型应变计的温度读数和修正公式进行修正；

e、在局部坐标系下解算出各个三轴应变分量，然后对局部坐标系下的应变分量进行坐标变换旋转到整体坐标中，得到整体坐标下的各个应变分量，进而推出主应变大小与实际方向。

所述的步骤a中，整体空间坐标轴选择铅垂方向为z轴，当混凝土构件水平方向有两个正交边时，选择长边方向为x轴，短边为y轴，当混凝土构件为圆形或不规则形状时，取建筑物纵向为x轴，横向为y轴；

所述的步骤b中，在三轴倾角传感器的三轴倾角数值进行初始化时应将其空间应变测量装置整体稳定地放置于三轴云台上，并调整云台做仰俯、摇摆、滚动三轴精细调整使空间应变测量装置的三个局部坐标轴分别平行于整体空间坐标轴；

所述的步骤c中，固定安装空间应变测量装置时应将三轴传感器11所在位置作为中心点与待测点对齐，但安装角度无需做特定要求，固定时通过螺栓、粘贴或焊接限制该装置的平动；

所述的步骤d中，通过GEOKON公司的BGK-Micro40型自动化数据采集器同步读取各个应变传感器的读数，为提高精度利用温度传感器读数对应变值进行补偿；如上述装置在使用中仍有发生偏转的可能性，应同时读取记录三轴倾角传感器的坐标旋转参数；

所述的步骤e中，应先在局部坐标下求出各个应变分量，本案例中的具体方法为：

ε_x＝ε₁，ε_y＝ε₂，ε_z＝ε₃，γ_xy＝ε₁+ε₂-2ε₄，γ_xz＝ε₁+ε₃-2ε₅，γ_yz＝ε₂+ε₃-2ε₆

然后根据三轴旋转矩阵做坐标变换得到整体坐标下的应变分量，如用应变张量形式描述，应有：

ε_i'j'＝ε_i'j'n_ii'n_jj'

其中，i,j＝x,y,z，i',j'＝x',y',z'，n_ii,n_jj'为新旧对应坐标轴的方向余弦。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了三轴倾角传感器、应变传感器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，其特征在于，包括基座、空间应变传感器组以及三轴倾角传感器，所述空间应变传感器组和三轴倾角传感器都固定安装在基座上，所述空间应变传感器组包括六个应变传感器，第一应变传感器、第二应变传感器和第三应变传感器的中轴线以不共面的方式相交于一点；第四应变传感器的中轴线处于第一应变传感器的中轴线和第二应变传感器的中轴线所构成的平面上，第一应变传感器的中轴线和第二应变传感器的中轴线分别与第四应变传感器的中轴线相交；第五应变传感器的中轴线处于第一应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线所构成的平面上，第一应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线分别与第五应变传感器的中轴线相交；第六应变传感器的中轴线处于第二应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线所构成的平面上，第二应变传感器的中轴线和第三应变传感器的中轴线分别与第六应变传感器的中轴线相交；基座上安装有应变传感器的面板都与被测体固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，其特征在于，所述基座包括四个面板，第一面板、第二面板和第三面板相互垂直，第四面板与第三面板垂直，第一应变传感器安装在第一面板和第三面板的夹角上，第二应变传感器安装在第二面板和第三面板的夹角上，第三应变传感器安装在第四面板上，第四应变传感器安装在第三面板上，第五应变传感器安装在第一面板上，第六应变传感器安装在第二面板上。

3.根据权利要求2所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，其特征在于，所述三轴倾角传感器安装在第一应变传感器的中轴线和第二应变传感器的中轴线的交点处。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，其特征在于，所述四个面板上均开有固定孔，至少一个面板通过螺栓连接到焊接在钢筋上的带螺孔固定块上，第一至第六应变传感器和三轴倾角传感器表面均匀涂覆有环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量装置，其特征在于，所述应变传感器为电阻式应变传感器或振弦式应变传感器或光栅式应变传感器。

6.一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、选择整体坐标系；

b、将空间应变测量装置的局部坐标系与整体坐标系对齐，记录三轴倾角传感器的初始三轴倾角数值；

c、在测量点固定安装空间应变测量装置，安装完成以后记录三轴倾角传感器的固定三轴倾角数值；根据初始三轴倾角数值和固定三轴倾角数值解算空间姿态，求出空间应变测量装置安装之后的局部坐标系到整体坐标系的三维坐标旋转矩阵；

d、通过读数仪读取每个应变传感器在所需测量工况下的读数；

e、在局部坐标系下解算出各个空间应变分量，然后依据三维坐标旋转矩阵对局部坐标系下的空间应变分量进行坐标变换旋转到整体坐标系中，得到整体坐标系下的各个应变分量。

7.根据权利要求6所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，其特征在于，整体坐标系的至少一条轴线为待测体的轮廓线、地磁方向线或建筑物的轴线。

8.根据权利要求7所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，其特征在于，所述步骤b中，将空间应变测量装置局部坐标系与整体坐标系对齐具体为：将空间应变测量装置放置于可做三轴倾角调整的平台上，进行精细调整使得空间应变测量装置的三个局部坐标轴分别平行于整体空间坐标系的轴线。

9.根据权利要求7或8所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，其特征在于，步骤c中，固定安装空间应变测量装置时将三轴传感器所在位置作为固定中心点牢固固定在待测体内部的测点上，限制空间应变测量装置的平移。

10.根据权利要求6所述的一种基于三轴倾角定位的空间应变测量方法，其特征在于，步骤d中，读取到各个应变传感器的读数之后，根据当前温度对读数进行修正，然后进行后续步骤。