CN106556338B - 一种大曲率半径测量专用装置及测量方法 - Google Patents

一种大曲率半径测量专用装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大曲率半径测量专用装置及测量方法，它是在一个弹性U型支架的底部安装上手柄，在U型支架两端头之间固定上高弹性钢片；在U型支架两端头上分别安装上滚轮；在高弹性钢片的正反两面中心部位各黏贴一应变片；在手柄上设有无线应变采集器，两应变片通过导线与无线应变采集器组成半桥测量电路；要求高弹性钢片受力后能自由弯曲而不发生塑性变形。本发明在自由弯曲而不发生塑性变形的弹性钢片两面分别贴上应变片，这样正反两面的应变片与应变采集器组成半桥测量电路，从而消除了拉伸应变，只测得弯曲应变，通过弯曲应变推导出曲面的曲率进，解决了本领域的技术难题。

Description

一种大曲率半径测量专用装置及测量方法
技术领域
本发明涉及测量仪器，尤其适用于测量建筑结构、工业产品中大曲面结构的曲率半径。
背景技术
随着建筑行业艺术形式的不断创新及3D打印技术在该领域的应用、大型工业产品软件设计与数控加工技术更加先进、自由，人们对复杂、抽象、具有艺术性的产品及建筑物非常期待和喜爱，因而未来具有自由曲面的大型结构物将越来越多，在产品参照设计、临摹建造、检测监测、审美感知的过程中需要方便地测量、记录其曲面的曲率半径。
在工程中，常用的曲率半径测量工具有两种。其一是R规，也叫半径规。它在测量时，必须使R规的测量面与工件的圆弧完全的紧密的接触，当测量面与工件的圆弧中间没有间隙时，工件的圆弧度数则为此时对应的R规上所表示的数字。由于是目测，故准确度不是很高。其二为基于三点法制作的弧度测量仪。三坐标测量仪涉及的参数较多，在弧越短、半径越大的情况下，测量偏差的微小增加对圆弧半径的测量结果都会产生较大的影响，造成测量结果失真，无法正确判断产品的加工质量情况。所以，目前的曲率半径测量装置存在的主要问题是直径越大，偏差就会越大，对于大半径短圆弧或者不平整曲面的非规则圆弧的现场测量，实施起来比较困难。
在实验室实施精密测量时，常借助万能工具显微镜，用弓高弦长法制作测试仪器。在使用显微镜进行测量时，由于受到仪器量程和测试平台的限制，测量时如构件较大，需要拆卸后置于测试平台上测量，测量较大圆弧时，因为可测量的弧长较小而会产生很大的测量误差，甚至无法进行测量。一般这种设备操作复杂，造价昂贵，抗干扰能力差、测量尺度有限，对测试者的技术要求较高，不适用于现场测量。
电阻应变片能够测量构件的表面应变。随着构件受力变形，应变片的敏感栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由应变采集器测得。因此应变采集器的测量值反应的是工程构件应变大小，测得应变就可反算出构件的受力、形变等信息。弯曲应变的大小与曲率有直接关系。如果在受弯构件表面贴上应变片，测出构件的弯曲应变，就能反算出曲率。将这种原理用于测量结构的曲率半径，尚属首次。
发明内容
针对现有大曲面结构的曲率半径现场测量的困难问题，本发明提出一种大曲率半径测量专用装置。该装置适用于诸如建筑结构、船体、汽车覆盖件等大型模具曲率半径现场测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种大曲率半径测量专用装置，其特征在于，它是在一个弹性U型支架的底部安装上手柄，在U型支架两端头之间固定上高弹性钢片，U型支架对高弹性钢片提供拉力，以保证高弹性钢片处于拉直状态；在U型支架两端头上分别安装上滚轮，以实现在结构物表面进行不间断实时测量；在高弹性钢片的正反两面中心部位各黏贴一应变片；滚轮在弧面结构物表面自由移动时，保证高弹性钢片贴有应变片区域内底面与弧面结构物表面完全接触；在手柄上设有无线应变采集器，两应变片通过导线与无线应变采集器组成半桥测量电路。要求高弹性钢片受力后能自由弯曲而不发生塑性变形。
进一步，为了计算自动化，在所述的手柄上设有无线发射器，应变采集器将弯曲应变值εM通过无线发射器或导线输送到计算机，计算机根据弯曲曲率半径和弯曲应变值εM之间的换算运行程序，即可计算物体弯曲曲率半径。
进一步，为了便于掌握测量时的水平度，所述的手柄上设有水平仪。
进一步，为了避免高弹性钢片热效应和保护应变片，高弹性钢片和应变片上涂覆有弹性的绝热耐磨层。
进一步，为了保证与被测弧面容易贴实，所述高弹性钢片厚度h值为0.1-0.2mm，优选0.2mm。
利用本发明装置测量大曲率半径的方法是：
第一：测量时，手持装置让滚轮处在被测结构曲面表面上，移动滚轮至测量位置或沿着既定路线进行实时测量时，使钢片紧贴被测弧面结构物，至少保证贴有应变片的高弹性钢片部位与弧面结构物的曲面贴紧弯曲，产生弯曲应变；
第二：当高弹性钢片压在曲面上，钢片发生弯曲时，它同时受弯曲和拉伸作用，产生弯曲与拉伸应变；由于在高弹性钢片正反两面中心部位各贴有应变片，钢片的应变传递到应变片上，两应变片电阻发生变化，该变化由弯曲及拉伸应变共同引起，通过半桥测量电路，消除拉伸应变，保留弯曲应变，则无线应变采集器采集到的应变数据εd即为两倍的弯曲应变值εM，也就是说：弹性钢片的弯曲应变值εM如下：
εM＝1/2εd (1)
第三：由于高弹性钢片受力后能自由弯曲而不发生塑性变形，其中性层所弯成的圆弧的曲率半径ρ与其表面弯曲应变之间具有如下关系：
根据公式(1)和(2)得出：
第四：由于应变片紧贴曲面，且高弹性钢片有厚度，则被测结构曲面曲率半径：
根据公式(2)和(3)得出εd与被测结构曲面曲率半径R的关系为：
式中，h为高弹性钢片厚度；
当高弹性钢片表面涂有绝热耐磨层时，εd与被测结构曲面曲率半径R的关系为：
式中，C为绝热耐磨层厚度。
本发明的有益效果为：
(1)可以准确测量建筑物、船体、汽车、大型艺术展品等大曲面结构物的曲面信息，测量过程简便、迅速；
(2)结合无线应变采集器，能够使测试数据得到有效快捷地存储、分析，实现实时采集，全程记录，不再局限于某一点、一处的测量；
(3)结构简单，便于携带，可作防水及抗高温处理，便于各类工程现场实测，也可用此法对振动中的曲面进行监测，采集振型数据，并能较好地结合相对成熟的电测应变采集仪器及相关软件，尤其是微型无线动态应变仪、模态分析软件等，在行业内进行推广应用。
(4)长期以来，为了提高测量的准确性和方便性，技术人员一直致力于寻找新的测量器具和改进目前的测量器械，由于思维的局限性，未能想到适用于工程现场大规模测量的方法。现存测量工具有它的局限性，无法准确、便捷地测出大曲面结构的曲率半径。本申请发明人无意之间想到电阻应变片能够测量构件的表面应变，而弯曲应变的大小与曲率有直接关系，如果知道应变片的弯曲应变就可以推导出曲面的曲率。以本发明为例，弯曲应变伴随着拉伸应变，而与曲率有关的只是弯曲应变，如何消除拉伸应变。申请人想到在自由弯曲而不发生塑性变形的弹性钢片两面分别贴上应变片，这样正反两面的应变片与应变采集器组成半桥测量电路，从而消除了拉伸应变，只测得弯曲应变，进而求出曲率，解决了本领域的技术难题，具有突出的实质性特点和显著的进步，符合专利法第22条第3款规定的创造性。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是应变片在钢片上的粘贴状态示意图。
图3是电桥电路图。
图4是弯曲应变与曲率关系示意图。
图中：1-高弹性钢片，2-应变片，3-绝热耐磨层，4-导线，5-滚轮，6-U型支架，7-水平仪，8-无线应变采集器，9-手柄，10-弧面结构物。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1-2所示的大曲率半径测量专用装置，它是在一个弹性U型支架6的底部安装上手柄9，在U型支架6两端头之间固定上高弹性钢片1，U型支架6对高弹性钢片1提供拉力，以保证高弹性钢片1处于拉直状态；在U型支架6两端头上分别安装上滚轮5，以实现在结构物表面进行不间断实时测量；在高弹性钢片1的正反两面中心部位各黏贴一应变片2(见图2)；滚轮5在弧面结构物10表面自由移动时，保证高弹性钢片1贴有应变片2区域内底面与弧面结构物10表面完全接触；在手柄9上设有无线应变采集器8，两应变片2通过导线4与无线应变采集器8组成半桥测量电路(见图3)。
实施例中的高弹性钢片为65MN/锰淬火弹簧钢带，即热处理钢带，硬度和弹性都很大，平整度好，韧性高。厚度为0.2mm，宽20mm。
为了计算自动化，无线应变采集器8将弯曲应变测量值εd无线传输至计算机，计算机根据曲率半径和应变测量值εd之间的换算运行程序，即可计算弧面结构物10的曲率半径。
为了便于掌握测量时的水平度，所述的手柄9上设有水平仪7。
为了避免高弹性钢片1热效应和保护应变片2，高弹性钢片1内外涂覆有弹性的绝热耐磨层3。
本发明的工作原理是，测量时，手持装置让滚轮5处在被测结构曲面10表面上，移动滚轮5至测量位置或沿着既定路线进行实时测量时，使钢片紧贴被测弧面结构物10，至少保证贴有应变片的高弹性钢片1部位与弧面结构物10的曲面贴紧弯曲，产生弯曲应变；高弹性钢片1中性层的曲率半径ρ(即弯曲中心到高弹性钢片中性层的距离)与弯曲应变εM之间具有如下关系：由于在高弹性钢片1正反两面中心部位各贴有应变片2，与无应变采集器8组成半桥测量电路，以消除拉应变，保留弯应变，则无线应变采集器8测得应变εd为弯应变εM的两倍，即εd＝2εM；
如图4所示，弯曲应变εM与被测结构曲面曲率半径R的关系为：C，则有：式中，C为绝热耐磨层厚度(没有绝热耐磨层时C为0)，h为高弹性钢片厚度。所以被测弧面结构物10的曲率半径R仅与高弹性钢片1厚度h和绝热层厚度C有关。根据应变采集器9测得应变εd和绝热层厚度C、高弹性钢片厚度h这两个常数，即可计算出被测曲面的曲率半径。

Claims (5)

1.一种大曲率半径测量方法，其特征在于，该测量方法所用的专用装置结构是，在一个弹性U型支架的底部安装上手柄，在U型支架两端头之间固定上高弹性钢片，U型支架对高弹性钢片提供拉力，以保证高弹性钢片处于拉直状态；在U型支架两端头上分别安装上滚轮，以实现在结构物表面进行不间断实时测量；在高弹性钢片的正反两面中心部位各黏贴一应变片，滚轮在弧面结构物表面自由移动时，保证高弹性钢片贴有应变片区域内底面与弧面结构物表面完全接触；在手柄上设有无线应变采集器，两应变片通过导线与无线应变采集器组成半桥测量电路；要求高弹性钢片受力后能自由弯曲而不发生塑性变形,且高弹性钢片厚度为0.1-0.2mm；
测量方法如下：
第一：测量时，手持装置让滚轮处在被测结构曲面表面上，移动滚轮至测量位置或沿着既定路线进行实时测量时，使钢片紧贴被测弧面结构物，至少保证贴有应变片的高弹性钢片部位与弧面结构物的曲面贴紧弯曲，产生弯曲应变；
第二：当高弹性钢片压在曲面上，钢片发生弯曲时，它同时受弯曲和拉伸作用，产生弯曲与拉伸应变；由于在高弹性钢片正反两面中心部位各贴有应变片，钢片的应变传递到应变片上，两应变片电阻发生变化，该变化由弯曲及拉伸应变共同引起，通过半桥测量电路，消除拉伸应变，保留弯曲应变，则无线应变采集器采集到的的应变数据即为两倍的弯曲应变，也就是说：弹性钢片的弯曲应变如下：
= （1）
第三：由于高弹性钢片受力后能自由弯曲而不发生塑性变形，其中性层所弯成的圆弧的曲率半径与其表面弯曲应变之间具有以下关系
（2）
根据公式（1）和（2）得出：；
第四：由于应变片紧贴曲面，且高弹性钢片有厚度，则被测结构曲面曲率半径：
（3）
根据公式（2）和（3）得出与被测结构曲面曲率半径R的关系为：
（4）
式中，h为高弹性钢片厚度；
当高弹性钢片表面涂有绝热耐磨层时，与被测结构曲面曲率半径R的关系为：
（5）
式中，C为绝热耐磨层厚度。
2.如权利要求1所述的大曲率半径测量方法，其特征在于，在所述的手柄上设有无线发射器，应变采集器将弯曲应变通过无线发射器或导线输送到计算机，计算机根据弯曲曲率半径和弯曲应变之间的换算运行程序，即可计算物体弯曲曲率半径。
3.如权利要求1所述的大曲率半径测量方法，其特征在于，所述的手柄上设有水平仪。
4.如权利要求1所述的大曲率半径测量方法，其特征在于，所述的高弹性钢片和应变片上涂覆有弹性的绝热耐磨层。
5.如权利要求1所述的大曲率半径测量方法，其特征在于，所述的高弹性钢片厚度为0.2mm。
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