CN105783688A - 一种位移计伺服率定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位移计伺服率定系统，其中伺服电机(20)通过控制安装在固定架(10)左端的丝杠(30)推动活动架(40)移动；光栅位移传感器(50)能够感知活动架(40)的位移；且其信号输出端连接NI的第一输入端；活动架(40)上安装有触块(401)；触块(401)的安装高度能保证触及设置在固定架(10)右端的位移计(60)的自由端；位移计(60)的自由端贴有应变贴片，并通过导线与NI的第二输入端连接；NI的输出端与拟合运算器相连。本发明能够准确地率定出微型位移计的应变值与位移值之间的率定系数关系，而且轻巧灵活，操作简便，率定效率高，适应性好，在地质力学模型试验中具有较高的实用价值。

Description

一种位移计伺服率定系统

技术领域

本发明涉及仪器仪表领域，尤其是涉及一种位移计伺服率定系统。

背景技术

地质力学模型试验能够模拟工程结构的特点，又能近似模拟岩体断层等地质因素对工程稳定性的影响，其在水利、采矿、隧道等工程中有着极其重要的作用并得到了广泛的应用，我国的大中型拱坝基本都做过地质力学模型试验。

在地质力学模型试验中，荷载作用下结构表面和基础岩体内部的位移情况是主要的检测量之一，通过基础岩体内部的位移可以反映出结构及基础岩体的应力应变情况及各部位的安全性，进而得到工程的最终安全性分析结果。

由于地质力学模型试验的特点，位移测量装置必须尺寸小、质量轻、稳定性好、灵敏度高，并且可以在模型内部、外部灵活安装。为此，清华大学水利系发明了一种基于全桥电测法的简易式电阻式位移计，它虽然能够很好地适应地质力学模型试验的需求，但是通过这种基于全桥电测法的简易式电阻式位移计，只能够测得应变数据，不能直接获得相应的位移值。

发明内容

本发明的目的是针对目前存在的问题，提供一种位移计伺服率定系统，其能够准确地率定出微型位移计的应变值与位移值之间的系数关系，而且本发明轻巧灵活，操作简便，率定效率高，适应性好，在地质力学模型试验中具有较高的实用价值。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种位移计伺服率定系统，其包括：

固定架、伺服电机、丝杠、活动架、光栅位移传感器、位移计、NI国家仪器和拟合运算器；

所述伺服电机通过控制安装在固定架左端的丝杠推动活动架移动；

所述光栅位移传感器能够感知所述活动架的位移；且其信号输出端通过导线连接NI的第一输入端；

所述活动架上安装有触块；所述触块的安装高度能够保证触及设置在固定架右端的位移计的自由端；

所述位移计的自由端贴有应变贴片，并通过导线与NI的第二输入端连接；

所述NI的输出端与所述拟合运算器相连。

更进一步地，所述应变贴片为四个，并对称贴于所述位移计的正反两面，所述应变贴片通过全桥法连接。

更进一步地，所述拟合运算器利用如下公式计算得到率定系数：

u＝α·ε_ds

其中参数u为NI输出的活动架的位移值，α为率定系数，ε_ds表示从NI输出的位移计的应变值。

更进一步地，所述位移计的自由端固定有钢珠，所述钢珠的安装高度低于所述活动架上触块的最高点。

更进一步地，所述位移计伺服率定系统还包括：

安装在固定架右端的位移计安装架；

所述位移计安装架的左端开有安装槽，所述位移计的下端插入该安装槽中，并用顶丝穿过该安装槽顶住位移计。

更进一步地，所述安装槽中留有圆孔，用于穿插用于连接位移计上应变贴片的导线。

更进一步地，所述伺服电机的驱动轴与丝杠相接，所述伺服电机的控制端通过线路连接可编程逻辑控制器PLC。

更进一步地，所述固定架包括：左端板、右端板以及用于连接左端板和右端板的第一连杆和第二连杆；所述光栅位移传感器为两个，分别设置在所述第一连杆及第二连杆的上面或者内侧。

更进一步地，所述左端板上开有轴孔，该轴孔内安装有轴承，该轴承的内圈与丝杠的光杠部分接触。

更进一步地，所述触块是钢板条或硬橡胶块。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明通过活动架触及位移计的自由端，并通过光栅位移传感器感知活动架的位移以及通过在位移计的自由端贴有应变贴片感知位移计的应变值，进而通过拟合运算能够准确地率定出微型位移计的应变值与位移值之间的系数关系，而且本发明轻巧灵活，操作简便，率定效率高，适应性好，在地质力学模型试验中具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明的一种位移计伺服率定系统的主视图；

图2为本发明的一种位移计伺服率定系统的俯视图；

图3为本发明的一种位移计伺服率定系统的左视图；

图4为本发明的一种位移计伺服率定系统中应变贴片的连接电路示意图。

附图中：

固定架10、左端板101、右端板102、第一连杆103、第二连杆104；伺服电机20；丝杠30；活动架40、触块401；光栅位移传感器50；位移计60、钢珠601；位移计安装架70。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明提供一种位移计伺服率定系统，其结构如图1-图3所示，包括：

固定架10、伺服电机20、丝杠30、活动架40、光栅位移传感器50、位移计60、位移计安装架70、NI(图中未示出)和拟合运算器(图中未示出)。

固定架10由钢材制作，其包括左端板101、右端板102以及用于连接左端板和右端板的第一连杆103和第二连杆104。其中左端板101上开有轴孔，该轴孔内安装有轴承，该轴承的内圈与丝杠30的光杠部分接触。

伺服电机20的驱动轴与丝杠30的光杠部分相接，具体可以通过法兰相接，也可以通过键套接在轴套中相接，也可以通过其它方式相接。伺服电机20的控制端通过线路连接PLC(ProgrammLogicController，可编程逻辑控制器)。

活动架40能够沿固定架10的第一连杆103以及第二连杆104左右移动。活动架40的左基板上套接有螺孔，该螺孔与丝杠30的螺纹部分配合使用；活动架40的右基板上安装有触块401。该触块401可以是钢板条，也可以是硬橡胶块。

光栅位移传感器50用来感知活动架40产生的位移，其为两个，分别设置在固定架的第一连杆103及第二连杆104上面或者内侧，具体通过固定在第一连杆103及第二连杆104上的基座安装，并拧紧螺丝进行固定。该光栅位移传感器50通过线路与NI(NationalInstruments，国家仪器，该NI为美国国家仪器公司的产品)进行连接，该光栅位移传感器50感知到活动架40产生位移，将感知信号传给NI的第一输入端，NI读取出该活动架40的位移值。

位移计60安装在位移计安装架70上。具体在位移计安装架70的左端开有安装槽，该位移计60的下端插入该安装槽中，并用顶丝穿过该安装槽顶住位移计60；位移计60的上端露出(在本文中称为自由端)，且该位移计60的上端固定有钢珠601，该钢珠的安装高度要低于上述活动架40右基板上触块401的最高点。该安装槽中留有圆孔，用于穿插位移计60的四根导线。位移计60的正反两面分别贴有两个应变贴片，使用如图4所示的全桥式法连接四根导线，并且通过导线连接到NI的第二输入端。该图4中，R₁、R₂、R₃、R₄分别对应四个应变贴片的电阻。

位移计安装架70安装在固定架10的右端板102上，具体在右端板102上开有安装孔，该位移计安装架70的右端固定在该安装孔中。

拟合运算器的输入端接NI的位移值和应变值两个数据输出端，拟合运算器的输出端输出率定系数。该拟合运算器可以独立设置，也可以集成在计算机中。

本发明的工作原理如下：

通过PLC编程控制伺服电机进行转动，随着伺服电机的转动，动力由驱动轴传给丝杠30，进而带动丝杠30转动；由于丝杠30的光杠部分固定于固定架10上，所以丝杠30的旋转会带动活动架40向右移动，安装在活动架40右基板上的触块401也随着活动架40向右移动，随着活动架40的移动，光栅位移传感器50将感知到的移动信号传输给NI，该NI将位移数据呈现给用户。当触块401触及到位移计60上端(自由端)的小钢珠时，挤压微型位移计60的自由端，使位移计60发生弯曲，产生应变信号，该应变信号通过应变贴片以及与该应变贴片连接的线路传给NI，该NI对该应变信号转变为应变值。最后利用拟合运算器采用最小二乘法对位移值和应变值进行线性拟合，得到位移值和应变值二者之间的转换系数，即率定系数。

拟合运算器的具体处理过程如下：

1)输入位移值，该位移值来自NI输出的位移值。

2)输入应变值，该应变值来自NI输出的应变值，该应变值通过如下途径获得：

位移计60弯曲发生变形时，贴在位移计60正反两面的四个应变贴片产生应变值相等且异号：

ε₁＝ε₂＝-ε₃＝-ε₄＝ε…………………………………式1

式1中：

ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别表示四个应变贴片的应变值；ε表示应变值。

应变贴片的电阻与应变值之间的关系满足如下公式2：

$\frac{\mathrm{\Δ}R}{R}=K\·\mathrm{\ϵ}$ ……………………………………式2

式2中：

ΔR表示电阻变化值；R表示电阻；K表示应变片灵敏系数；ε表示应变值；

针对桥式电路连接的应变贴片测量后，得到的相关测量数据满足如下公式3：

$\mathrm{\Δ}U=\frac{U}{4}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})=\frac{UK}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)$ ………式3

式3中，ΔU表示电压变化值；U表示接入桥式电路的原始电压；ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃、ΔR₄分别表示四个应变贴片对应的电阻R₁、R₂、R₃、R₄的变化值；其余参数与式1和式2中的相应参数的含义相同，这里不再详细描述。

由公式3可以演变为如下公式4：

${\mathrm{\ϵ}}_{ds}=\frac{4\mathrm{\Δ}U}{KU}={\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4=4{\mathrm{\ϵ}}_1=4\mathrm{\ϵ}$ ………………………式4

式4中：

ε_ds表示从NI读出的应变值，即位移计60的应变值；其余参数与式1、式2和式3中的相应参数的含义相同，这里不再详细描述。

由公式4可以看出，位移计60的应变值ε_ds与通过全桥式法连接的应变贴片的应变值ε成线性关系。

因为模型试验中测量的位移计60的水平方向的位移值远小于位移计60的高度，所以位移计60的水平方向的位移值近似与应变贴片的应变值呈线性关系，也就是说位移计60的水平方向的位移值与NI读出的位移计60的应变值ε_ds呈线性关系；又因为活动架40的位移值与位移计60的水平方向位移值近似，所以测得的活动架40的位移值与位移计60的应变值ε_ds呈线性关系。

通过控制活动架40发生不同的位移值，得到多组位移值与其相应的应变值，取其平均值。采用最小二乘法将应变值和相应的位移值进行线性拟合，利用公式5得到率定系数：

u＝α·ε_ds………………………………………式5

式5中u为活动架40的位移值，α为率定系数，ε_ds表示从NI读出的位移计60的应变值。

由上述本发明的具体实施方式可以看出，本发明通过NI进行数据采集，可以直接得到应变数据；光栅位移传感器与NI进行连接，也能通过NI读取出活动架40位移变化的平均值。通过PLC系统编写程序控制伺服电机的转动，并采用上述办法读取多个不同的位移和应变数据，最后采用最小二乘法进行线性拟合，得到位移值和应变值二者之间的转换系数。

目前，本套系统已经在杨房沟拱坝、大岗山拱坝、岩盐地下硐室等模型试验中得到了应用，且取得了很好的效果。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述位移计伺服率定系统包括：

固定架(10)、伺服电机(20)、丝杠(30)、活动架(40)、光栅位移传感器(50)、位移计(60)、NI国家仪器和拟合运算器；

所述伺服电机(20)通过控制安装在固定架(10)左端的丝杠(30)推动活动架(40)移动；

所述光栅位移传感器(50)能够感知所述活动架(40)的位移；且其信号输出端通过导线连接NI的第一输入端；

所述活动架(40)上安装有触块(401)；所述触块(401)的安装高度能够保证触及设置在固定架(10)右端的位移计(60)的自由端；

所述位移计(60)的自由端贴有应变贴片，并通过导线与NI的第二输入端连接；

所述NI的输出端与所述拟合运算器相连。

2.根据权利要求1所述一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述应变贴片为四个，并对称贴于所述位移计(60)的正反两面，所述应变贴片通过全桥法连接。

3.根据权利要求2所述的一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述拟合运算器利用如下公式计算得到率定系数：

u＝α·ε_ds

其中参数u为NI输出的活动架(40)的位移值，α为率定系数，ε_ds表示从NI输出的位移计(60)的应变值。

4.根据权利要求1至3任意一项所述一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述位移计(60)的自由端固定有钢珠(601)，所述钢珠(601)的安装高度低于所述活动架(40)上触块(401)的最高点。

5.根据权利要求4所述一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述位移计伺服率定系统还包括：

安装在固定架(10)右端的位移计安装架(70)；

所述位移计安装架(70)的左端开有安装槽，所述位移计(60)的下端插入该安装槽中，并用顶丝穿过该安装槽顶住位移计(60)。

6.根据权利要求5所述的一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述安装槽中留有圆孔，用于穿插用于连接位移计(60)上应变贴片的导线。

7.根据权利要求6所述的一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述伺服电机(20)的驱动轴与丝杠(30)相接，所述伺服电机(20)的控制端通过线路连接可编程逻辑控制器PLC。

8.根据权利要求7所述的一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述固定架(10)包括：左端板(101)、右端板(102)以及用于连接左端板和右端板的第一连杆(103)和第二连杆(104)；所述光栅位移传感器(50)为两个，分别设置在所述第一连杆(103)及第二连杆(104)的上面或者内侧。

9.根据权利要求8所述的一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述左端板(101)上开有轴孔，该轴孔内安装有轴承，该轴承的内圈与丝杠(30)的光杠部分接触。

10.根据权利要求1所述的一种位移计伺服率定系统，其特征在于，所述触块(401)是钢板条或硬橡胶块。