CN106338272A - 用于构件倾斜角测量的测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于构件倾斜角测量的测试装置，包括活动卡接于构件上的扣件和安装于所述扣件上的测试仪；所述测试仪包括壳体，位于壳体内的应变片、应变梁和重力摆；所述重力摆固定于所述应变梁的底部；所述应变片设于所述应变梁的侧壁；所述应变片还电连接有数据处理器；当构件发生倾斜，所述重力摆对所述应变梁产生的拉力发生变化，从而使得应变片发生形变，所述应变片的形变信息传输至所述数据处理器，对应计算出所述构件的倾角和倾斜方向。本发明还公开了一种用于构件倾斜角测量的测试方法。采用本发明，既能测量倾斜角，也能测量出倾斜方向，同时还具有安装便捷、测量效率高的特点。

Description

用于构件倾斜角测量的测试装置及其测试方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种用于构件倾斜角测量的测试装置及其测试方法。

背景技术

构件与水平线或水平面所成的角称为该构件的倾斜角。通过测量构件的倾斜角，可以定量描述该构件的倾斜或倾斜变化的程度。现有两种测量构件倾斜角的方法：

第一种：采用光学仪器的人工测量方法，光学仪器有经纬仪、全站仪等。例如使用经纬仪测量某杆件的倾斜度，通过测量杆件底面中心与顶面中心的水平角和观测点与杆件的距离，计算两点间的水平偏移量；通过测量杆件底面中心、顶面中心分别和观测点的竖直角，计算两点间的高度，最后通过水平偏移量和高度即可计算得到杆件的倾角，两次倾斜角之差即为倾斜角变化。该方法对视线要求较高，操作繁琐，测量频率较低，人工工作强度大。

第二种：采用倾角传感器的测量方法。倾角传感器具有操作简单、视线要求低、采样频率高、自动化程度高等特点，已经被广泛应用，但是现有的倾角传感器测量方法只能测量出倾斜角，但是对于倾斜方位也无法准确测量出，且在传感器的安装和操作等方面比较复杂，影响工作效率。

因此，提供一种可测量倾斜方位，安装方便，操作简单，更高效的倾斜角测量装置及方法有着重要的实际工程意义。

发明内容

为了解决上述关于倾斜角测量过程中安装繁琐，效率低的问题，本发明的第一目的是提供一种用于构件倾斜角测量的测试装置，既能测量倾斜角，也能测量出倾斜方向，同时还具有安装便捷、测量效率高的特点。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，包括活动卡接于构件上的扣件和安装于所述扣件上的测试仪；所述测试仪包括壳体，位于壳体内的应变片、应变梁和重力摆；所述重力摆固定于所述应变梁的底部；所述应变片设于所述应变梁的侧壁；所述应变片还电连接有数据处理器；当构件发生倾斜，所述重力摆对所述应变梁产生的拉力发生变化，从而使得应变片发生形变，所述应变片的形变信息传输至所述数据处理器，对应计算出所述构件的倾角和倾斜方向。

进一步地，所述数据处理器包括计算模块，分别与所述计算模块连接的电桥、A/D转换模块和电源模块；所述电桥的输入端与所述应变片连接。

进一步地，所述应变片设有四片，分别分布于参考坐标系中的X轴和Y轴上，并且位于同一圆上。

进一步地，所述参考坐标系中的Z轴为应变梁的轴线，并且以远离重力摆的方向为其正方向。

进一步地，所述测试仪还包括有数据传输模块；所述测试仪通过所述数据传输模块连接有云计算平台。

进一步地，所述壳体内还设有密封测试箱；所述应变片、应变梁和重力摆安装于所述密封测试箱内。

为了解决上述问题，本发明的第二目的是提供一种用于构件倾斜角测量的测试方法，具有测量准确、效率高的特点。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试方法，包括如下步骤：

将测试仪安装于构件上；

采集应变片的形变信息；

根据所述形变信息，计算所述构件的倾角和倾斜方向。

进一步地，在将所述测试仪安装与构件之前，建立参考坐标系X、Y、Z轴，并且将应变梁的轴线设为Z轴，以远离重力摆的方向为其正方向；所述应变片设置为四片，并且分别分布于参考坐标系中的X轴和Y轴的方向上。

进一步地，采集应变片的形变信息的步骤，具体是：构件在倾斜过程中，采用测试仪采集所述应变信息，具体利用所述重力摆对所述应变梁产生的拉力发生变化，从而使得应变片发现形变，该形变信息计算公式如下：

ε₁＝ε_z+ε_x (1)

ε₃＝ε_z-ε_x (2)

ε₂＝ε_z+ε_y (3)

ε₄＝ε_z-ε_y (4)

式中：ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为四片应变片对应的的应变值；应变梁受力分解为分别沿X轴、Y轴、Z轴方向的分力F_x、F_y、F_z；ε_x为F_x产生的弯矩作用下的应变值；ε_y为F_y产生的弯矩作用下的应变值；ε_z为F_z作用下的应变值。

进一步地，根据形变信息，计算所述构件的倾角和倾斜方向的步骤，具体是：

根据形变信息，计算所述构件的倾角和倾斜方向的步骤，具体是：

所述形变信息会导致其接入电路中的电阻发生变化，所述电桥则将该电阻变化转换为电压信号，根据该电压信号运算出对应的倾角和倾斜方法，运用的公式如下：

所述应变片的应变转换为电压信号输出

其中：K₀为应变片灵敏系数，U为电桥输出电压，e为电桥输入电压；

将应变梁受力分解为分别沿X轴、Y轴、Z轴方向的分力F_x、F_y、F_z：

F_x＝G sinθcosγ (6)

F_y＝G sinθsinγ (7)

F_z＝G cosθ (8)

式中：G为重力摆的重力；γ为倾斜时，重力摆在应变梁剖面上的投影与X轴的夹角；

$\frac{F_{x}L}{W}={\mathrm{E\ϵ}}_x=E\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)---\left(9\right)$

$\frac{F_{y}L}{W}={\mathrm{E\ϵ}}_y=E\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\right)---\left(10\right)$

$F_z={\mathrm{E\ϵ}}_{z}A=EA\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4}{4}\right)---\left(11\right)$

式中：W为应变梁抗弯截面模量，E为应变梁弹性模量，A为应变梁截面面积，L为应变梁长度；

由式(5)、(8)和式(11)得到倾斜角：

由式(3)、(4)、(5)和式(10)得到倾斜方向(与X轴夹角)：γ的范围为(-180°～180°)，当γ为负值时，表示倾斜方向与Y轴正方向相反。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用活动卡在被测构件上的扣件，然后测试仪安装在所述扣件上，因此，只需将扣件卡在被测构件上，即可完成安装，方便快捷；

(2)当构件发生倾斜形成的倾角，也就是重力摆与应变梁之间形成的夹角，此时应变梁自身的受力也会发生改变，从而使得贴于其表面的应变片也相应发生形变，该形变信息被数据处理器接收，从而相应计算出构件的倾角和倾斜方向，准确、高效。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置在使用过程中的状态图；

图2是本发明图1中A的放大图；

图3是本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置中测试仪的结构示意图；

图4是本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置中数据处理器的电路原理框图；

图5是本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置中应变片的安装示意图；

图6是本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试方法的流程图。

图中：

1：扣件

11：扣环 12：连接头

2：测试仪

21：壳体 22：重力摆 23：应变梁

24：应变片

241：第一应变片 242：第二应变片 243：第三应变片 244：第四应变片

25：数据处理器

251：计算模块 252：电桥 253：A/D转换模块 254：电源模块 255：数据传输模块

26：密封测试箱

3：构件

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，通过在测试仪2上安装一扣件1，该扣件1可以活动卡接在被测构件3上。因此，需要安装时，直接将该扣件1卡接在被测构件3上即可，操作极其简单。

具体结合附图2所示，所述扣件1包括扣环11和连接头12，所述扣环11是用于包裹住所述被测构件3，因此其形状会因构件3的不同而改变，可以是如图所示的圆环状，也可以是方环状，还可以是三角环状，同时，其可以是如图的一片式，即只需要一个连接头12进行连接；还可以是两片式，即扣环11为两个半环状，通过两个连接头12连接，具体根据实际需要而定，都属于本发明保护的范围。

同时，在测量具体的倾斜角和倾斜方向，则是借助测试仪2内的重力摆22、应变梁23和应变片24来完成，具体结合图3所示，其中，所述重力摆22固定于所述应变梁23的底部；所述应变片24设于所述应变梁23的侧壁；所述应变片24电连接有数据处理器25。

在使用过程中，如果构件不发生倾斜，所述重力摆22则不会发生摆动，应变梁23以及应变片24都不会发生形变。当构件3一旦发生倾斜，所述重力摆22给予所述应变梁23的拉力会发生变化，从而发生形变，从而引起所述应变片24发生形变。所述应变片24发生形变，该形变信息被所述数据处理器25接收，并且通过计算，得出对应的倾斜角角度和倾斜方向。

具体地，所述应变片24设置有如图5所示的四片，分别为第一应变片241、第一应变片242、第一应变片243和第一应变片244，分别处于参考坐标系的X轴、Y轴所在的方向上。该参考坐标系的Z轴则是以应变梁23的轴线为准，以远离重力摆22的方向为Z轴的正方向。

如图5所示，所述数据处理器25包括有计算模块251，分别与所述计算模块251连接的电桥252、A/D转换模块253和电源模块254；所述电桥252的输入端与所述应变片24连接。所述应变片24的形变会导致其接入电路中的电阻发生变化，所述电桥252则将该电阻变化转换为电压信号，经过计算模块251计算倾角和方位，A/D转换模块253将模拟信号转换为数字信号以显示。

为了使得该倾斜的数据便于远程监控，所述数据处理器25连接有数据传输模块255；该数据传输模块255将检测到的倾斜角角度和方向实时传输至云计算平台，以供远程监控。

为了进一步提升测量的准确度，所述壳体21内设有密封测试箱26，所述应变片24、应变梁23和重力摆22都安装于所述密封测试箱26内，从而有效避免外接的干扰，从而提升检测量的准确度。

以上是对本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置的详细说明，以下对其测试方法做具体描述，结合如图6所示的流程图，本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试方法，包括如下步骤：

S1：建立参考坐标系X、Y、Z轴；

将应变梁的轴线设为Z轴，以远离重力摆的方向为其正方向；

以应变片分布的圆周建立参考坐标系中的X轴和Y轴。

S2：采集倾斜过程中，所述应变片24的形变信息；

采集应变片的形变信息的步骤，具体是：构件在倾斜过程中，采用测试仪采集所述应变信息，具体利用所述重力摆对所述应变梁产生的拉力发生变化，从而使得应变片发现形变，该形变信息计算公式如下：

ε₁＝ε_z+ε_x (1)

ε₃＝ε_z-ε_x (2)

ε₂＝ε_z+ε_y (3)

ε₄＝ε_z-ε_y (4)

式中：ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为第一应变片241、第二应变片242、第三应变片243和第四应变片244的应变值；应变梁受力分解为分别沿X轴、Y轴、Z轴方向的分力F_x、F_y、F_z；ε_x为F_x产生的弯矩作用下的应变值；ε_y为F_y产生的弯矩作用下的应变值；ε_z为F_z作用下的应变值。

需要说明的是：应变片24的应变与其电阻变化值的关系为其中电桥252为4组惠斯通1/4桥，第一应变片241、第一应变片242、第一应变片243和第一应变片244分别接入1组电桥252中。应变片24接入电桥252后，应变片24的电阻变化值与电桥252输出电压的关系为式中K₀为应变片灵敏系数，U为电桥输出电压，e为电桥输入电压。

因此，可以将应变转换为电压信号输出

S3：根据所述形变信息，计算所述构件的倾角和倾斜方向。

所述形变信息会导致其接入电路中的电阻发生变化，所述电桥则将该电阻变化转换为电压信号，根据该电压信号运算出对应的倾角和倾斜方法，运用的公式如下：

所述应变片24的应变转换为电压信号输出

其中：K₀为应变片灵敏系数，U为电桥输出电压，e为电桥输入电压；

具体地，第一应变片241：

第二应变片242：

第三应变片243：

第四应变片244：

式中，U₁、U₂、U₃、U₄分别为第一应变片241、第一应变片242、第一应变片243和第一应变片244对应的电桥输出电压。

将应变梁受力分解为分别沿X轴、Y轴、Z轴方向的分力F_x、F_y、F_z。则有：

F_x＝G sinθcosγ (6)

F_y＝G sinθsinγ (7)

F_z＝G cosθ (8)

式中：G为重力摆的重力；γ为倾斜时，重力摆在应变梁剖面上的投影与X轴的夹角；

$\frac{F_{x}L}{W}={\mathrm{E\ϵ}}_x=E\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)---\left(9\right)$

$\frac{F_{y}L}{W}={\mathrm{E\ϵ}}_y=E\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\right)---\left(10\right)$

$F_z={\mathrm{E\ϵ}}_{z}A=EA\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4}{4}\right)---\left(11\right)$

式中：W为应变梁抗弯截面模量，E为应变梁弹性模量，A为应变梁截面面积，L为应变梁长度；

由式(5)、(8)和式(11)得到倾斜角：

由式(3)、(4)、(5)和式(10)得到倾斜方向(与X轴夹角)：γ的范围为(-180°～180°)，当γ为负值时，表示倾斜方向与Y轴正方向相反。

其中，所述电桥不局限于以上的1/4电桥，也可以是1/2电桥，具体则根据实际需要进行调整，影响的与应变片24之间的转换关系也相应调整。

在进行以上步骤以前，还需进行准备工作：将测试仪2安装于构件3上；

结合图2所示，首先将扣环11卡在构件3上，然后通过螺栓将连接头固定住，直至所述扣环11牢固的包裹住所述构件3即可，简单、快捷。

同时，本发明所述的用于构件倾斜角测量的测试装置及其测试方法的其他内容参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于构件倾斜角测量的测试装置，其特征在于：

包括活动卡接于构件上的扣件和安装于所述扣件上的测试仪；

所述测试仪包括壳体，位于壳体内的应变片、应变梁和重力摆；

所述重力摆固定于所述应变梁的底部；

所述应变片设于所述应变梁的侧壁；

所述应变片还电连接有数据处理器；

当构件发生倾斜，所述重力摆对所述应变梁产生的拉力发生变化，从而使得应变片发生形变，所述应变片的形变信息传输至所述数据处理器，对应计算出所述构件的倾角和倾斜方向。

2.根据权利要求1所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，其特征在于：

所述数据处理器包括计算模块，分别与所述计算模块连接的电桥、A/D转换模块和电源模块；

所述电桥的输入端与所述应变片连接。

3.根据权利要求2所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，其特征在于：

所述应变片设有四片，分别分布于参考坐标系中的X轴和Y轴上，并且位于同一圆上。

4.根据权利要求4所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，其特征在于：

所述参考坐标系中的Z轴为应变梁的轴线，并且以远离重力摆的方向为其正方向。

5.根据权利要求2所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，其特征在于：

所述数据处理器连接有数据传输模块；

所述测试仪通过所述数据传输模块连接有云计算平台。

6.所述权利要求1所述的用于构件倾斜角测量的测试装置，其特征在于：

所述壳体内还设有密封测试箱；

所述应变片、应变梁和重力摆安装于所述密封测试箱内。

7.一种用于构件倾斜角测量的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立参考坐标系X、Y、Z轴；

采集应变片的形变信息；

根据所述形变信息，计算所述构件的倾角和倾斜方向。

8.根据权利要求7所述的用于构件倾斜角测量的测试方法，其特征在于：

建立参考坐标系X、Y、Z轴的步骤，具体为：

将应变梁的轴线设为Z轴，以远离重力摆的方向为其正方向；

以应变片分布的圆周建立参考坐标系中的X轴和Y轴。

9.根据权利要求8所述的用于构件倾斜角测量的测试方法，其特征在于：

采集应变片的形变信息的步骤，具体是：构件在倾斜过程中，采用测试仪采集所述应变信息，具体利用所述重力摆对所述应变梁产生的拉力发生变化，从而使得应变片发现形变，该形变信息计算公式如下：

ε₁＝ε_z+ε_x (1)

ε₃＝ε_z-ε_x (2)

ε₂＝ε_z+ε_y (3)

ε₄＝ε_z-ε_y (4)

式中：ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为四片应变片对应的的应变值；应变梁受力分解为分别沿X轴、Y轴、Z轴方向的分力F_x、F_y、F_z；ε_x为F_x产生的弯矩作用下的应变值；ε_y为F_y产生的弯矩作用下的应变值；ε_z为F_z作用下的应变值。

10.根据权利要求9所述的用于构件倾斜角测量的测试方法，其特征在于：

根据形变信息，计算所述构件的倾角和倾斜方向的步骤，具体是：

所述形变信息会导致其接入电路中的电阻发生变化，所述电桥则将该电阻变化转换为电压信号，根据该电压信号运算出对应的倾角和倾斜方法，运用的公式如下：

所述应变片的应变转换为电压信号输出

其中：K₀为应变片灵敏系数，U为电桥输出电压，e为电桥输入电压；

将应变梁受力分解为分别沿X轴、Y轴、Z轴方向的分力F_x、F_y、F_z：

F_x＝G sinθcosγ (6)

F_y＝G sinθsinγ (7)

F_z＝G cosθ (8)

式中：G为重力摆的重力；γ为倾斜时，重力摆在应变梁剖面上的投影与X轴的夹角；

$\frac{F_{x}L}{W}={\mathrm{E\ϵ}}_x=E\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_3}{2}\right)---\left(9\right)$

$\frac{F_{y}L}{W}={\mathrm{E\ϵ}}_y=E\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}\right)---\left(10\right)$

$F_z={\mathrm{E\ϵ}}_{z}A=EA\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4}{4}\right)---\left(11\right)$

式中：W为应变梁抗弯截面模量，E为应变梁弹性模量，A为应变梁截面面积，L为应变梁长度；

由式(5)、(8)和式(11)得到倾斜角：

由式(3)、(4)、(5)和式(10)得到倾斜方向(与X轴夹角)：γ的范围为(-180°～180°)，当γ为负值时，表示倾斜方向与Y轴正方向相反。