CN106813816B - 载荷平衡测量 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种载荷平衡测量及测量装置。该载荷平衡测量包括：刚性载荷叠加器，叠加和传递载荷对其作用效果的刚体或非绝对刚体；第一个载荷；第二个载荷；惯性参照系，其使所述刚性载荷叠加器相对于其保持静止；系统平衡力，由所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供，用以使所述刚性载荷叠加器相对于其保持静止的作用力；力敏元件，其包括采用接触或非接触方式对单一分量作用力正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化实施测量；所述第一个载荷、所述第二个载荷以及所述系统平衡力对所述刚性载荷叠加器的作用效果被所述刚性载荷叠加器相叠加，且所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的所述系统平衡力被所述力敏元件测量。

Description

载荷平衡测量
技术领域
本发明涉及平衡测量的力学测量方法，特别涉及包括力、转矩在内的任意载荷间的平衡测量，涉及包括材料轴力、剪力在内的材料内力与材料所受外部载荷间的平衡测量，涉及利用材料的物性特征测量运动变量的方法，本发明还涉及实施该力学测量方法的装置和测量传感器。
背景技术
随着科学技术的发展以及科研分析工作的不断深入,对极限力值、极限位移、精确定位以及材料力学性能的精确测定已经成为目前航空航天、国防工业、核工业、材料科学以及精密加工等技术领域迫切需要解决的问题。
a.应力松弛不仅是连接件设计的核心问题,也是极端条件下结构完整评价的重要指标,因此材料应力松弛的精确测定在理论研究和工程设计方面都具有重要的意义。据《金属材料拉伸应力松弛试验方法》GB/T10120—2013描述,应力松弛试验采用适时调整试件的载荷,以保持试件变形恒定,最终测量试件残余应力来实现。由于受检测装置灵敏度限制,试件缓慢而细微的变形虽然可视,但对其蠕变变形却无准确的测量数据,这种试验方法不但实施困难,其始终无法避免残余应力测量引起的不确定度对测量结果的影响,且该方法未能展示试件内部的介观信息,严重的阻碍了应力松弛机理的研究进程。
b.材料杨氏模量是衡量材料受力后其变形程度的参数,是设计各种工程结构时选用材料的主要依据之一,其测量方法在《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》GB/T22315—2008已经做了详细的要求,但材料轴向变形增量的示值误差以及外力作用方式对测量结果造成的影响始终未得到有效的解决,从而严重影响了此类试验的测量效果。
c.质量和力值测量已经有很多为人们所熟知的测量方法,但由于受到衡量设备的量程限制以及现有检测装置的制约,目前大力值、大质量以及超微力值仍无法做到精确测量,尽管现有技术中不乏运用各种放大措施来扩大其量程的实例,但这类大量程测量的实现是以降低测量系统灵敏度和测量精度作为代价来实现的；由于受到测量设备制约,技术人员尚未寻求到一条适合超微力值溯源的途径,微小质量标准砝码本身仍存在着很大的不确定度,造成国际上目前仍没有统一、准确的微小力计量方法。因此,极限量程测力、称重以及微力发生控制目前依然是该测量领域的难题。
d.微位移系统是超精密加工及检测中的关键技术之一,近年来随着微电子技术,宇航,生物工程学科的迅速发展,迫切需要高精度,高分辨率,高可靠性的微位移系统用以直接工作或配合其他仪器设备完成高精度研究和使用。李庆祥王东生李玉和编著的《现代精密仪器设计》一书第五章、第七章对现阶段微位移系统各种设计方法的优缺点、适用范围以及所能达到的精度进行了详细的论述。在我国,由于受到机械加工精度、检测技术水平的制约,现有技术还无法满足微位移系统大行程、高精度、高频响、高分辨率检测以及精确定位的性能要求,微位移技术的开发进程仍十分缓慢。
以上实例均是基于力学平衡原理实施的力学测量。分析现有的力学测量方法,其对载荷间的不平衡度及平衡修正值的测量,或是借助机、电、声、光、磁等技术,通过观察测量平衡部件偏离平衡位置的程度来实现；或是通过测量受力部件发生应变的程度来实现。其始终未能深入受力系统内部,探究力系内在的平衡状态和受力状况；加之受到现有检测装置小量程、高精度测量特性和非接触测量分辨率低的制约,现有力学测量方法在极限量程测量中仍存在一定不足,该类试验对上述力学难题的精确测定仍未取得突破性进展。寻求一种新的检测原理,制造一种新的检测仪器来突破以上力学测量中遇到的瓶颈问题,正是本发明目的所在。
发明内容
综合前述运用力学平衡原理实施的力学测量，针对测量中存在的共性技术问题，本发明要提供一种载荷平衡测量，其将高灵敏、高分辨测量任意载荷间的平衡状况；尤其是本发明提供的共线力、平面转矩以及平面力偶矩平衡测量，充分发挥现有检测装置高精度测量特性，能够对超大量程以及微小量程载荷微变实现高灵敏、高分辨测量，对全量程载荷实现量值传递。
应用本发明所提出的载荷平衡测量，针对前述材料力学性能试验所存在的共性技术问题，本发明还要提供一种材料内力平衡测量，其将对材料内力平衡以及材料的内力微变实现高灵敏、高分辨测量；尤其是本发明提供的材料内力测量，将对材料轴力、材料剪力、受弯材料内力偶矩以及受扭材料内力偶矩实现高灵敏、高分辨测量，其将为提升材料应力以及材料应力松弛的测试水平提供准确可靠的材料内力基础数据；本发明提供的材料弹性模量测定以及同步测量材料内力与材料变形的测量方案还将为力学计量与几何量计量间建立量值传递提供一条试验验证途径。
基于以上技术方案，针对前述微位移所存在的技术问题，本发明还要提供一种微动测量，其将对几何量微变实现高灵敏、高分辨力测量，将为力学计量与几何量计量间建立量值传递提供一条测量传递途径；本发明还将提供微动控制、精确定位控制方法，能够对微动实现精确控制和定位。综上所述，本发明所解决的问题属于现有力学、微动以及材料性能测量中遇到的共性技术问题。
本发明还将提供实施上述测量的测量装置。
本发明的总体构想是:首先提供一种力学测量方法,其将对空间内任意载荷的平衡状况实现精确测量；调整该力学测量方法的测量条件,将能够对全量程载荷以及全量程载荷变化实现精确测量,对微小载荷发生或变化实现精确控制,并对全量程载荷实现量值传递；该力学测量方法运用于材料性能试验,将能够对材料内力平衡实现精确测量,运用材料内力平衡测量,其还将对材料内力以及材料内力松弛实现精确测定,该力学测量方法还将提供一种用于验证弹性假设正确性的方法,继而将对材料受力与材料变形的单值函数关系实现精确标定；结合上述测量的标定结果,利用弹性材料受力与材料变形的单值函数关系,该力学测量方法还将提供一种微动测量,该测量还将提供微动控制和精确定位控制的方法；最后本发明还将提供实施上述测量的测量装置。
基于以上技术思路,通过实施如下措施将使本发明的目的得以实现。
现实环境中,对于受不平衡力系作用的刚体,技术人员总能找到几个由惯性参照系向刚体施加的约束力,其使该刚体满足任意空间力系平衡的充要条件,达到受力平衡状态；另据静力学加减平衡力系原理得知,惯性参照系向受平衡力系作用的刚性体施加平衡力,不改变刚性体受力平衡状态,本发明称上述约束力以及平衡力为系统平衡力。若对该系统平衡力实施测量,便能够精确测量得出刚性体的受力平衡状况,结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力后,原力系的不平衡度。
此处我们对共线力系的平衡测量作进一步分析,据静力学对共线力系描述:物体在共线力系作用下平衡的充要条件为F＝F1+F2+F3+...+Fn＝∑Fi＝0。图1a、图1b显示的是受共线力系作用的刚性体平衡的示意图,该装置包括:惯性参照系101、刚性载荷叠加器102、系统平衡力106、互为共线的第一个作用力105和第二个作用力104以及第一个作用力105与第二个作用力104的合力107,刚性载荷叠加器102在第一个作用力105和第二个作用力104共线作用下产生运动或产生运动的趋势,为使刚性载荷叠加器102处于受力平衡状态,需由惯性参照系101向刚性载荷叠加器102提供与第一、第二个作用力的合力107等值、反向且共线的系统平衡力106,使F＝F1+F2+F3+...+Fn＝∑Fi＝0,该共线力系满足平衡条件,通过系统平衡力106的力值或力值变化,能精确测量该共线力系的平衡状态以及原共线力系的不平衡度,其中图1a显示的是受反向共线力系作用的刚性体平衡的示意图,图中系统平衡力106的力值,其主要取决于第一个作用力105与第二个作用力104的合力107,其与第一个作用力105和第二个作用力104的力值无直接关联,于是便产生了几种提高系统平衡测量精度的技术方案,其一,选用力值更为接近的第一个作用力105和第二个作用力104相互作用,以方便选用更小量程、更高精度的测力部件对系统平衡力106实施测量,从而大幅度提高平衡测量精度；其二,由于系统平衡力106的力值主要取决于第一个作用力105与第二个作用力104的合力107,从理论上讲只要将合力值107控制在高精度测量量程范围内,第一个作用力105与第二个作用力104可以为任意力值,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程平衡测量的目的。图1b显示的是受同向共线力系作用的刚性体平衡的示意图,将图中第一个作用力105与第二个作用力104的合力107控制在高精度测量量程范围内,可以实现对更多的同向、共线力进行叠加测量。同理,平面力偶矩载荷、平面转矩载荷的平衡测量也具有与共线力平衡测量相同的测量特性,其同样能够实现全量程测量和叠加测量的目的。
为解决上述空间内任意载荷平衡状况测量的技术问题,本发明提出一种载荷平衡测量,其包括刚性载荷叠加器、第一个载荷、第二个载荷、惯性参照系、系统平衡力以及力敏元件,其中:
刚性载荷叠加器,一种叠加和传递载荷对其作用效果的刚体或非绝对刚体,其可以是具体零部件,也可以是受力部件本身；第一个载荷,包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的对所述刚性载荷叠加器具有单一分量或多分量作用效果的任意载荷,其还包括由多个前述载荷共同作用的等效载荷；第二个载荷,包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的对所述刚性载荷叠加器具有单一分量或多分量作用效果的任意载荷,其还包括由多个前述载荷共同作用的等效载荷；惯性参照系,测量中选取的参考系,其对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括使所述刚性载荷叠加器相对于其保持静止；系统平衡力,由所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的用以使所述刚性载荷叠加器保持受力平衡的一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的作用力；力敏元件,对力敏感的弹性或非弹性元件,其包括采用接触或非接触方式对单一分量作用力正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化实施测量；
所述第一个载荷、所述第二个载荷以及所述系统平衡力对所述刚性载荷叠加器的作用效果被所述刚性载荷叠加器相叠加,且惯性参照系向刚性载荷叠加器提供的系统平衡力被力敏元件测量。
为解决材料内力平衡测量的技术问题,本发明提出一种将前述载荷平衡测量应用于材料内力平衡测量的方法,其中所述第二个载荷包括受试材料的内力,所述第一个载荷包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的单一分量或多分量的外部试验载荷,所述外部试验载荷使所述受试材料产生所述内力,所述系统平衡力包括由所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的用以阻止受试材料进一步变形的一个或多个单一分量的作用力。刚性载荷叠加器将所述外部试验载荷对受试材料的作用效果与所述惯性参照系提供的所述系统平衡力对受试材料的作用效果相叠加,且所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的所述系统平衡力被所述力敏元件测量。
为解决对微动实现精确测定的技术问题,本发明利用弹性体受力与变形具有单值函数关系的特性,提出一种将前述载荷平衡测量应用于微动测量的方法,其中力敏元件包括弹性力敏元件,其串接于所述惯性参照系与所述刚性载荷叠加器之间,用于感知所述惯性参照系和所述刚性载荷叠加器之间的距离及距离变化。
本发明其它实施例的具体内容被包含在详细说明及附图内。
有益效果
本发明提供的载荷平衡测量，其摆脱现有平衡测量技术的束缚，将为物理量平衡测量提供一条全新的力学测量途径，该测量运用力学平衡原理，发挥现有检测装置高精度测量特性，采用由力敏元件提供使力系强制平衡的作用力，并通过力敏元件测量力系平衡的技术方案，该测量结构简单、响应迅速、操作分析简便且测量性能稳定。与已公知的借助机、电、声、光、磁等技术，观测施载前后平衡机构的位置偏离程度或测量平衡部件产生应变的程度来确定力系平衡的方法相比较，其在测量分辨率、测量灵敏度以及测量稳定性等测量性能方面均有大幅提升。该载荷平衡测量利用现有技术，能够对超大量程和微小量程共线力、平面转矩以及平面力偶矩载荷微变实现高灵敏、高分辨测量，能够对全量程载荷实现量值传递。
运用载荷平衡测量，调整其各组成要素的力学测量条件，将对基于力学平衡原理而实施的高精度物理量测量产生多种有益的技术效果。
应用于材料内力平衡测量，其将是首个提出对材料内力平衡、材料内力微变实现精确测定的技术方案。该测量依据弹性理论对材料内力的描述和定义，运用力学平衡原理，采用在现有材料力学性能的试验环节中，引入由力敏元件提供阻止材料变形的系统平衡力，通过力敏元件测量材料载荷与材料所受外部载荷间的平衡或测量材料内力微变的技术方案，该测量结构简单、响应迅速、操作分析简便，具有灵敏度高、分辨力强、测量稳定等优点。与现有材料力学性能试验相比，其最大限度地减小了外力作用方式对材料性能表征的影响，高灵敏、高分辨的测量材料内力平衡和材料内力变化。该材料内力平衡测量利用现有技术，充分发挥检测装置高精度测量特性，能够为诸多基于材料内力平衡而实施的高精度材料力学试验提供一条提升测量性能的有效途径；为材料内力、材料应力、材料杨氏模量、材料应力松弛等材料性能参数实现精确测定打下坚实的测量基础，将能为材料力学和弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；该测量还将首次提出能够高灵敏、高分辨的同步测量材料载荷和材料变形的测量方案，其将用试验的方法，验证弹性理论的基本假设——“弹性假设”的正确性，将能为力学和几何量间建立起量值传递提供准确、可靠的试验验证依据，其将首个为力学与几何量计量领域间建立量值传递提供可靠的试验验证途径。
应用于微动测量，其将是首个将力学测量技术应用于几何量测量的方案；首个为力学计量与几何量计量间建立量值传递提供一条测量传递途径。该测量运用力学平衡原理，发挥现有检测装置高精度测量特性，利用弹性体(弹性力敏元件)受力与变形具有单值函数关系的物性特征，采用测量因弹性力敏元件边界变形量变化导致其受力发生变化的技术方案，并结合前述材料载荷与材料变形的对应关系，能够对几何量及其微变实现高分辨、高灵敏、高度精确的感知和测量，该测量结构简单、响应迅速、分析简便且测量性能稳定。与已公知的运用机械或光学技术对微动进行比较测量，或运用电测技术将微动直接转换为电信号输出测量的方法对比，其具有高位移分辨率、高重复精度、多维度、无间隙接触测量等特性。该微动测量利用现有技术，能够为几何量测量，几何量微动控制以及精确定位和控制提供一条高灵敏高分辨率测量控制的有效途径。
本发明所提供的技术方案属于力学计量和几何量计量的共性技术。
依据本发明所制造的装置期望能够广泛的应用于以微动或载荷平衡为测量原理的物理量测量传感器；其将在新材料研制、材料力学性能测定、精密机械加工直至装备总成后的性能测试中得到广泛的应用；期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置、新型力学测量装置、新型传感器、智能测量仪器、工业控制系统、伺服驱动器等核心测量控制装置的研发提供一条全新的设计思路；期望其能够成为现有测量检测装置的补充,为材料力学、弹性理论、地质力学、生物力学、复合材料力学、工程与材料、农业、资源、环境、地震以及复杂力学难题等领域的基础研究提供高可信度的实验验证依据；还期望其能够有效解决航空、航天、国防工业、核工业乃至力学测量前沿等技术领域所遇到的力学测量难题。
本发明的效果不局限于上述所例示的内容,其它各种有益效果包含在本说明书内。
附图说明
其中:
图1a、图1b是受共线力系作用的刚性体平衡的示意图；
图1c是体载荷简化的示意图；
图1d是线载荷以及面载荷被承载的示意图；
图1e、图1f是单一分量作用力被简化的示意图；
图1g、图1h是系统平衡力被简化的示意图；
图2a、图2b、图2c是根据载荷平衡测量的第一至四、第十至二十、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中共线力系作用的示意图；
图2d、图2e是根据载荷平衡测量的第一至四、第十至二十、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中力偶系作用的示意图；
图2f是根据载荷平衡测量的第一、第十至十三、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中平面任意力系作用的示意图；
图2g、图2h是根据载荷平衡测量的第一、第十至十三、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中平面平行力系作用的示意图；
图2i、图2j是根据载荷平衡测量的第一至四、第十至二十、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中同一回转平面内的转矩载荷作用的示意图；
图2k是根据载荷平衡测量的第一、第十至十三、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中空间汇交力系作用的示意图；
图2l是根据载荷平衡测量的第一、第十至十三、第三十四、第三十六以及第三十七个实施方式中空间任意力系作用的示意图；
图2m是根据载荷平衡测量的第一、第二以及第十个实施方式中空间任意平衡力系作用的示意图；
图2n、图2q是根据载荷平衡测量的第十八个实施方式中共线力系作用的示意图；
图2o、图2r是根据载荷平衡测量的第十八个实施方式中力偶系作用的示意图；
图2p、图2s是根据载荷平衡测量的第十八个实施方式中同一回转平面内的转矩载荷作用的示意图；
图3a是平面任意力系平衡测量装置或测量传感器的示意图；
图3b是根据载荷平衡测量的第三十五个实施方式的示意图；
图4a是根据载荷平衡测量的第二十二、三十个实施方式以及第五、二十一个实施方式中材料轴力测量的示意图；
图4b是根据载荷平衡测量的第二十三、三十一个实施方式以及第五、二十一个实施方式中剪力测量的示意图；
图4c是根据载荷平衡测量的第二十四、三十二个实施方式以及第五、二十一个实施方式中受弯材料内力偶矩测量的示意图；
图4d是根据载荷平衡测量的第二十五、三十三个实施方式以及第五、二十一个实施方式中受扭材料内力偶矩测量的示意图；
图4e是根据载荷平衡测量的第六、二十六个实施方式的示意图；
图4f是根据载荷平衡测量的第七、二十七个实施方式的示意图；
图4g是根据载荷平衡测量的第八、二十八个实施方式的示意图；
图4h是根据载荷平衡测量的第九、二十九个实施方式的示意图；
具体实施方式
为了将本发明的技术问题、技术方案及有益效果介绍的更加清楚明白,以下结合附图,对本发明载荷平衡测量方法以及几种应用实例做详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明各实施例中所述的刚性载荷叠加器,一种叠加和传递载荷对其作用效果的刚体或非绝对刚体,其在实现此功能的前提下可以有多种结构形式。例如,其可以是具体零部件,也可以是受力部件本身。
载荷,包括单一分量或多分量体载荷、线载荷以及面载荷。其中,体载荷包括重力、惯性力、浮力等作用于整个体积上的载荷,其将被刚性载荷叠加器102整体作为一处承载部位对其实施承载,请参阅图1c,该体载荷将被简化为作用于刚性载荷叠加器102质心的集中载荷R111,其方向与该体载荷方向一致。所述线载荷以及面载荷包括作用于刚性载荷叠加器承载面、承载线或承载点的单一分量集中载荷、多分量力偶载荷以及前述载荷共同作用的等效载荷,其将被刚性载荷叠加器102的一处承载部位的一个或多个对单一分量载荷正向、负向亦或是正负两个方向的作用效果实施承载的承载单元1011所承载。请参阅图1d,图中显示了单一分量作用力载荷112正负两个方向的作用效果R112被一处承载部位Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)的承载单元1011以点接触、线接触或面接触的形式所承载的示意图；图中还显示了多分量力偶载荷M113被一处承载部位Ⅰ(Ⅱ、Ⅲ)的两个承载单元1011以点接触、线接触或面接触的形式所承载的示意图；单一分量作用力载荷112与多分量力偶载荷M113共同作用的等效载荷R112+M113被承载的示意图；以及多个前述载荷共同作用的等效载荷R112`+M113被承载的示意图。按上述分类方法,惯性参照系101对刚性载荷叠加器102的作用效果属线载荷或面载荷,其受力分析与前述线载荷或面载荷的分析相同。另据理论力学对平面和空间任意力系向一点简化分析得知,任意载荷对刚性载荷叠加器102的作用效果,均可向任意一点简化为一个主矢R和一个主矩M的作用,结合上述说明,刚性载荷叠加器102对空间任意载荷的承载方式应当视为已经做出了充分公开。
力敏元件,现有技术中用于感知或测量力值的测量部件,其采用接触或非接触方式对单一分量作用力正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化实施测量,按照其受力后的变形状况将其分为弹性力敏元件和非弹性力敏元件。
系统平衡力,由惯性参照系向刚性载荷叠加器提供,用以使刚性载荷叠加器相对于其保持静止的一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的作用力。
本发明将实现对力值、转矩以及力偶矩的量值传递,因此本发明引入了标准载荷的概念,本发明所述的标准载荷包括能够被溯源、被复现以及被保存的标准力值、由力臂为标准长度的标准力值所形成的标准转矩载荷以及由力偶臂为标准长度的标准力偶所形成的标准力偶矩载荷。
本发明还将对材料内力实现精确测量,本发明所述的材料内力包括材料轴力、材料剪力、材料抗弯内力偶矩以及材料抗扭曲内力偶矩。
为便于本领域的技术人员全面地了解本发明的优点、特征及其实现方法,说明书及附图仅揭示了最优的实施方式,应当理解,本发明并不局限于在此阐述的实施方式,在不脱离本发明构思以及满足力系平衡测量的前提下,所描述测量装置的结构形式、刚性载荷叠加器所承载的载荷数量以及系统平衡力的提供数量还将有多种变化,由于其测量原理相同,故未做重复说明,但应当视为已经做出了充分公开,本发明的范畴由权利要求书所定义。
为清晰解释本发明,说明书仅列举了各实施例的技术特征,而未对所涉及已公知的力学原理、平衡计算、结构、材料、测量部件以及测量操作方法做重复说明,但都应当视为已经做出了充分公开。
本说明书采用第一、第二…等方式记载各构成要素,其目的是对各构成要素进行区别,并记载各构成要素之间的相互关系,但这些构成要素不应视为被上述记载方式所限定,在本发明的技术思想范畴内所记载的第一构成要素也可以是第二构成要素。
附图中仅示意性的表述了各测量装置的结构形式以及传动原理,图中相同的附图标记表示相同或类似构成要素,因而将省略它们的详细描述。
以下结合附图详细说明本发明的各实施例。
根据本发明的载荷平衡测量的第一个实施方式一种载荷平衡测量,请参阅图2a至图2m该装置包括惯性参照系201、刚性载荷叠加器202、力敏元件203、系统平衡力206、第一个载荷205以及第二个载荷204。
刚性载荷叠加器202,一种叠加和传递载荷对其作用效果的刚体或非绝对刚体,其可以是具体零部件,也可以是受力部件本身。
第一个载荷205和第二个载荷204,包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的对所述刚性载荷叠加器具有单一分量或多分量作用效果的任意载荷,其还包括多个前述载荷共同作用的等效载荷。
惯性参照系201,测量中选取的参考系,其对刚性载荷叠加器202的作用效果包括使刚性载荷叠加器202相对于其保持静止。
系统平衡力206,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供,用以使刚性载荷叠加器202相对于其保持静止的一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的作用力。
力敏元件203,对力敏感的弹性或非弹性元件,其包括采用接触或非接触方式对单一分量作用力正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化实施测量。
试验之初,第一个载荷205与第二个载荷204,对刚性载荷叠加器202的作用效果构成原力系,刚性载荷叠加器202在原力系主矢与主矩的作用下产生移动、转动或产生移动、转动的趋势；为使刚性载荷叠加器202相对于惯性参照系201保持静止,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的系统平衡力206及206`…,且系统平衡力206及206`…的力值或力值变化将被力敏元件203及203`…所测量。换言之,刚性载荷叠加器202将原力系对刚性载荷叠加器202的作用效果与系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202的作用效果相叠加,其处于平衡状态,系统平衡力206及206`…在与原力系的主矢相平衡的同时,其产生力偶矩的矩矢还与原力系的主矩平衡。通过对系统平衡力206及206`…的精确测量,该装置能够对作用于刚性载荷叠加器202的平面汇交力系、平面力偶系、平面任意力系、任意空间力系、空间平衡力系的平衡状况实现精确测量,结合系统平衡力206及206`…的位置参数该装置还能够精确计算出卸载系统平衡力206及206`…后,原力系的不平衡度。对于测量中无法避免的测量系统附加载荷以及系统摩擦力,其将可以被视为第一、第二个载荷的一个分量参与系统平衡,因此本实施例将测量系统附加载荷和系统摩擦力对测量的影响也纳入了平衡测量的范围,从而将进一步减小系统不确定度对测量结果产生的影响。
请参阅图2a、图2b,若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果包括作用线重合的两个单一分量的作用力载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原共线力系,本实施方式构成共线力系平衡测量。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供一个或多个用以使刚性载荷叠加器202保持受力平衡的单一分量的系统平衡力206及206`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202的作用效果的主矢与原共线力系的主矢相平衡,且系统平衡力206及206`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206及206`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原共线力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206及206`…后,原共线力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206及206`…的施载位置和角度,使系统平衡力206对刚性载荷叠加器202的作用效果的作用线与前述第一个载荷205和第二个载荷204的作用线相重合,则会更有利于简化分析和计算。图2a显示的是反向且共线力平衡测量的示意图,选择与第一个载荷205更为接近的第二个载荷204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程作用力平衡测量的目的。图2b显示的是同向且共线作用力载荷平衡测量的示意图。
请参阅图2c,若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果是作用线相交的两个单一分量的作用力载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面汇交力系,本实施方式构成平面汇交力系平衡测量。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供一个或多个用以使刚性载荷叠加器202保持受力平衡的单一分量的系统平衡力206及206`…和系统平衡力207及207`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R206与系统平衡力207及207`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R207构成汇交力系,该汇交力系与原平面汇交力系相平衡,且系统平衡力206、206`、207及207`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207及207`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面汇交力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207及207`…后,原平面汇交力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206及207…的施载位置和角度,使系统平衡力206及207对刚性载荷叠加器202的作用效果相互垂直,且其与原平面汇交力系共面,则会更有利于简化分析和计算。
请参阅图2d、图2e若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果是共面的两个力偶矩载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面力偶系,本实施方式构成平面力偶系平衡测量。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供用以使刚性载荷叠加器202保持受力平衡的单一分量的系统平衡力206及206`…和系统平衡力207及207`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R206与系统平衡力207及207`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R207构成力偶系,该力偶系的主矩与原平面力偶系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207及207`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207及207`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面力偶系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207及207`…后,原平面力偶系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207及207`…的施载位置和角度,使系统平衡力206及207对惯性参照系201的作用效果构成与原平面力偶系共面的平面力偶系,则会更有利于简化分析和计算。图2d显示的是反向且共面力偶矩载荷平衡测量的示意图,选择与第一个力偶矩205更为接近的第二个力偶矩204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程力偶矩平衡测量的目的。图2e显示的是同向且共面力偶矩载荷平衡测量的示意图。
请参阅图2f,若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果是位于同一平面内的两个任意载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面任意力系,本实施方式构成平面任意力系平衡测量。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供用以使刚性载荷叠加器202保持受力平衡的单一分量的系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…,系统平衡力对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢分别为R206、R207、R208以及R209,其中R206与R207构成汇交力系,该汇交力系的主矢与原平面任意力系的主矢相平衡；主矢R208与R209构成力偶系,该力偶系的主矩与原平面任意力系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…的力值或力值变化被力敏元件203、203`、203``及203```…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面任意力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…后,原平面任意力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206、207、208以及209共面,系统平衡力206与207相互垂直,系统平衡力208及209构成平面力偶系,则会更有利于分析和计算。
请参阅图2g、图2h若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果是两个作用线相互平行的单一分量作用力载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面平行力系,本实施方式构成平面平行力系平衡测量。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供单一分量的系统平衡力206及206`…和系统平衡力207及207`…,系统平衡力206及206`…的主矢R206与系统平衡力207及207`…的主矢R207在与原平面平行力系的主矢相平衡的同时,其与矩心O之矩还和原平面平行力系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207及207`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207及207`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面平行力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207及207`…后,原平面平行力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207及207`…的施载位置和角度,使系统平衡力206及207对刚性载荷叠加器202的作用效果相互垂直,且其与原平面平行力系的主矢共面,则会更有利于简化分析和计算。图2g显示的是平面反向平行力系平衡测量的示意图,图2h显示的是平面同向平行力系平衡测量的示意图。
请参阅图2i、图2j若前述刚性载荷叠加器202具有固定回转中心O,第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果是同一回转平面内的两个转矩载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面转矩力系,本实施方式构成平面转矩平衡测量。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供一个或多个用以使刚性载荷叠加器202保持受力平衡的单一分量的系统平衡力206及206`…,系统平衡力206及206`…在与原平面转矩力系的主矢相平衡的同时,其与回转中心O之矩还和原平面转矩力系的主矩相平衡,且系统平衡力206及206`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206及206`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面转矩力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206及206`…后,原平面转矩力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206及206`…的施载位置和角度,使系统平衡力206及206`对刚性载荷叠加器202的作用效果构成与原平面转矩力系共面的平面转矩,则会更有利于简化分析和计算。图2i显示的是同一回转平面内反向转矩载荷平衡测量的示意图,选择与第一个转矩205更为接近的第二个转矩204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程转矩平衡测量的目的。图2j显示的是同一回转平面内同向转矩载荷平衡测量的示意图。
请参阅图2l,若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果是空间内两个任意载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原任意空间力系,本实施方式构成任意空间力系平衡测量,为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供单一分量的系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、2010、2010`、2011及2011`…,系统平衡力对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢分别为R206、R207、R208、R2010以及R2011,其中主矢R206、R207与R208对刚性载荷叠加器202的作用效果构成汇交力系,该汇交力系的主矢与原任意空间力系的主矢相平衡；主矢R2010与R2011对刚性载荷叠加器202的作用效果构成力偶系,该力偶系的主矩与原任意空间力系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、2010、2010`、2011及2011`…的力值或力值变化被力敏元件203、203`、203``及203```…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、2010、2010`、2011及2011`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原任意空间力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、2010、2010`、2011及2011`…后,原任意空间力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、2010、2010`、2011及2011`…的施载位置和角度,使系统平衡力206、207及208对刚性载荷叠加器202的作用效果是相互垂直的汇交力系,使系统平衡力2010与2011对惯性参照系201的作用效果构成与原任意空间力系的主矩共面的力偶矩,则会更有利于简化分析计算。图2k则显示的是空间汇交力系平衡测量的示意图。
请参阅图2m,若前述第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果包括空间内一组平衡载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平衡力系,本实施方式构成平衡力系平衡测量。由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供的系统平衡力206与206`、207与207`、208与208`,其分别构成三组成角度的平衡力,系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`的力值或力值变化被力敏元件203、203`及203``…所测量,该三组平衡力不影响原平衡力系的平衡状态。通过对系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`的精确测量,该装置能够准确的检测作用于刚性载荷叠加器202的空间平衡力系的平衡状况。同理,对于平面平衡力系的平衡测量可以通过施加至少两对成角度布置的平衡力来测量；对于共线平衡力系而言,可在非垂直于共线平衡力系作用线的方向上施加平衡力来测量。
实际测量中,刚性载荷叠加器还将承载更多的载荷,例如空气浮力以及保持测量初始平衡的载荷等,如何消除或修正其对测量结果的影响,已被本领域技术人员所公知,不属于本公开所保护的范围,故本公开未对其进行详细说明。
该装置依据平衡原理,利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,将提供用于高度精确和灵敏的测量平面任意力系、任意空间力系、任意平衡力系平衡状况的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其中所公开的反向共线作用力载荷、反向平面转矩载荷以及反向平面力偶矩载荷平衡测量装置,最大限度的减小了大量程载荷对测量部件的影响,其至少在一定程度上能够克服现有测量中无法对极限量程载荷平衡实施精确测量的技术难题；由其派生的物理量及材料力学性能测量装置还将在一定程度上解决诸如极限量程载荷测量、材料内力测量、材料内力松弛测量、材料杨氏模量测量、材料变形与材料内力单值函数关系测定、极限量程位移测量以及精确控制和定位等测量领域所遇到的技术难题,尤其是所公布的材料内力测量装置还将首次对材料轴力、材料剪力、受弯材料内力偶矩以及受扭材料内力偶矩实现精确测量,所公布的载荷发生或载荷变化控制装置还将为超微力值提供一条量值溯源途径；根据本发明制作的装置期望能够成为现有测量装置的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据,在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发、新材料研制、精密机械加工乃至装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置、新型力学测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二个实施方式,一种载荷相对变化的测量,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的共线力系平衡测量、平面力偶系平衡测量以及平面转矩载荷平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204与第一个载荷205反向,请参阅图2a、图2d以及图2i。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个载荷205与第二个载荷204量值之间的相对变化实现精确测量。
图2a显示的是反向且共线作用力载荷相对变化测量的示意图,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的共线力系平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204与第一个载荷205对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的共线力系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
图2d显示的是反向共面力偶矩载荷相对变化测量的示意图,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的平面力偶系平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204与第一个载荷205对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的平面力偶系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
图2i显示的是同一回转平面内转矩载荷相对变化测量的示意图,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的平面转矩载荷平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204与第一个载荷205对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的平面转矩载荷平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
实际测量中适当调整第二个载荷204的量值,该装置将产生多种测量效果,例如对全量程载荷变化、全量程载荷以及微小量程载荷实现精确测量,对全量程载荷实现量值传递。
该装置充分发挥现有检测装置高精度的测量特性,采用直接测量载荷平衡修正值或不平衡度的思路,对载荷间量值的相对变化实现精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的利用测量载荷绝对量值进而计算载荷相对变化的测量技术,具有大量程、全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,根据本发明制作的装置期望能够成为现有测力称重装置的补充,在极限量程载荷测量中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪以及新型力学测量装置的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第三个实施方式,一种载荷叠加测量,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的共线作用力载荷平衡测量、共面力偶矩载荷平衡测量以及同一回转平面内转矩载荷平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204包括与第一个载荷205同向的载荷,请参阅图2b、图2e以及图2j。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
图2b显示的是同向且共线作用力载荷叠加测量的示意图,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的共线力系平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204包括与第一个载荷205同向的载荷。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的共线力系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
图2e显示的是同向且共面力偶矩载荷叠加测量的示意图,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的平面力偶系平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204包括与第一个载荷205同向的载荷。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的平面力偶系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
图2j显示的是同一回转平面内同向转矩载荷叠加测量的示意图,该装置包括本发明第一个实施方式中所详细描述的平面转矩载荷平衡测量,其不同之处在于第二个载荷204包括与第一个载荷205同向的载荷。按照本发明第一个实施方式中所详细描述的平面转矩载荷平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,采用叠加测量方式对多个同向载荷实现精确叠加测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性。
根据本发明的载荷平衡测量的第四个实施方式,一种载荷发生或载荷变化控制方法,该装置包括本发明第二个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量、反向共面力偶矩载荷相对变化测量以及同一回转平面内转矩载荷相对变化测量,其不同之处在于第一个载荷205以及第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果包括可调整的标准载荷,请参阅图2a、图2d及图2i。参照本发明第二个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(标准载荷)与第二个载荷204(标准载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷,且该载荷被力敏元件203测量,该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
图2a显示的是单一分量作用力载荷发生、控制的示意图,该装置包括本发明第二个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的单一分量标准作用力载荷。参照本发明第二个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(单一分量的标准作用力载荷)与第二个载荷204(单一分量的标准作用力载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷206,且该新量值的载荷206被力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
图2d显示的是平面力偶矩载荷发生、控制的示意图,该装置包括本发明第二个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的标准力偶矩载荷。参照本发明第二个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(标准力偶矩载荷)与第二个载荷204(标准力偶矩载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷206,且该新量值的载荷206被力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
图2i显示的是平面转矩载荷发生、控制的示意图,该装置包括本发明第二个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的标准转矩载荷。参照本发明第二个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(标准转矩载荷)与第二个载荷204(标准转矩载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷206,且该新量值的载荷206被力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
选择与上述第一个标准载荷205更为接近的第二个标准载荷204,能够在不降低测量精度的前提下得到更微小的载荷。
该装置利用载荷平衡原理,采用无间隙控制方式,产生精准且稳定的微载荷,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现阶段由于超微力值计量体系未建立而造成超微力值无法溯源的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有微力发生装置的补充,为超微力值提供一种量值溯源途径,为超微力值计量仪器装备的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第五个实施方式,一种材料内力平衡测量,请参阅图4a至图4d,该装置包括本发明第一个实施方式所详细描述的载荷平衡测量,其不同之处在于:刚性载荷叠加器402所承载的第二个载荷404包括受试材料416的内力,刚性载荷叠加器402所承载的第一个载荷405包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的外部试验载荷,该外部试验载荷405使受试材料416产生内力404。据胡克定理表述:固体材料受力之后,材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系,即在弹性极限范围内,材料的内力与材料变形成正比；另根据弹性理论对材料内力的描述:在外力作用下的物体发生变形,变形改变了分子间距,在物体内形成一个随变形而增大的附加内力场,当这个内力场足以和外力相平衡时,变形不再继续,物体达到稳定平衡状态,若内力场不能和外力相平衡,物体将进一步变形从而寻求产生更大的内力场,此时若由惯性参照系向该物体提供可被度量的作用力,阻止其进一步变形,该物体所受外力与内力场将达到平衡状态,根据载荷平衡原理,将能够精确计算得出材料的内力平衡状况。试验之初,经刚性载荷叠加器402向受试材料416施加外部试验载荷405,受试材料416发生变形,其内部将产生抵抗受试材料416进一步变形的材料内力404,该材料内力404将随外力405的增大而增大。测量过程中受试材料416在当前测量状态下所能够产生的最大内力404若大于外部试验载荷405,受试材料416的变形将不再继续,其产生的内力404与所受外部试验载荷405达到稳定平衡状态；若受试材料416所能够产生的最大材料内力404小于外部试验载荷405,受试材料416将进一步变形或产生进一步变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡力作用,其也将产生位移或产生位移的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员通过系统平衡力406及406`…的力值或力值变化能够对受试材料416的内力平衡状况实现精确测量,结合系统平衡力406及406`…的量值和位置参数,该装置还能够精确计算出该受试材料416内力的变化值。
对于测量中无法避免的测量系统附加载荷以及系统摩擦力,其将可以被视为第一、第二个载荷的一个分量参与系统平衡,因此本实施例将测量系统附加载荷和系统摩擦力对测量的影响也纳入了平衡测量的范围,从而将进一步减小系统不确定度对测量结果产生的影响。
图4a显示的是材料轴力平衡测量的示意图,经刚性载荷叠加器402沿受试材料416的轴线向受试材料416施加轴向拉伸或轴向压缩力405,受试材料416内部将沿其轴线产生抵抗受试材料416进一步变形的材料内力—轴力404。试验中,当受试材料所能够产生的最大轴力404小于轴向拉伸或轴向压缩力405时,受试材料416将沿其轴向产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡共线力作用,其也将产生位移或产生位移的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据共线力系平衡的充要条件,系统平衡力406及406`…的主矢、受试材料416的轴力404以及轴向拉伸或轴向压缩力405三者的代数和等于零,本领域技术人员通过系统平衡力406及406`…的量值变化和位置参数,能够精确测定受试材料416的轴力404与轴向拉伸或轴向压缩力405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416的轴力404的变化。参照本发明第一个实施方式所详细描述的共线力系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,按图示位置进行测量,则会更有利于分析和计算。
图4b显示的是材料剪力平衡测量的示意图,经刚性载荷叠加器402向受试材料416施加剪切力405,受试材料416内部剪切截面上将产生抵抗受试材料416进一步变形的材料内力—剪力404,且剪切力405与剪力404共面。试验中,当受试材料416所能够产生的最大剪力404小于剪切力405时,受试材料416将产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡平行力作用,其也将产生位移或产生位移的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员利用系统平衡力406及406`…的量值变化和位置参数,能够精确测定受试材料416的剪力404与剪切力405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416剪力404的变化。参照本发明第一个实施方式所详细描述的力系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,使惯性参照系401所提供的系统平衡力406如图所示的布置于剪切力405和剪力404合力的作用线上,将能够保证剪切力405、剪力404以及系统平衡力406在力的作用面上力偶矩的代数和等于零,将有利于简化分析和计算。
图4c显示的是受弯材料内力偶矩平衡测量的示意图,经刚性载荷叠加器402沿受试材料416的弯曲轴所在的平面向受试材料416施加外力偶405,其对受试材料416的作用效果是外力偶矩M405,受试材料416在外力偶矩M405作用下其内部将产生抵抗受试材料416进一步弯曲变形的材料内力偶矩M404,且外力偶矩M405与内力偶矩M404共面。试验中,当受试材料所能够产生抵抗弯曲变形的最大内力偶矩M404小于外力偶矩M405时,受试材料416将产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡平面力偶矩作用,其也将产生转动或产生转动的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据平面力偶系平衡的必要与充分条件,本领域技术人员利用系统平衡力406的量值变化和位置参数,能够精确测定受弯材料416的内力偶矩404与外力偶矩405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416的内力偶矩404的变化。参照本发明第一个实施方式中所详细描述的力系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,使惯性参照系401所提供的系统平衡力406构成的力矩如图所示的布置于外力偶矩405和内力偶矩404所在的平面内,则会更有利于分析和计算。附图中还显示了由单一分量系统平衡力406``使刚性载荷叠加器402平衡的实例,根据力线平移定理,单一分量系统平衡力406``能够向刚性受试材料416的固定端平行移动,系统平衡力406``对受试材料416的作用效果将被简化为M406``和R406``。调整外力偶矩405及系统平衡力406``的量值,使R406``对受试材料416的作用效果在平衡计算中达到可以忽略的地步,其作用将与向受试材料416提供一个外力偶矩M406的作用等效,将更便于简化测量操作。
图4d显示的是受扭材料内力偶矩平衡测量的示意图,经刚性载荷叠加器402沿垂直于受试材料416扭转轴的平面向受试材料416施加外力偶405,其对受试材料416的作用效果是外力偶矩M405,受试材料416在外力偶矩M405作用下其内部将产生抵抗受试材料416进一步扭曲变形的材料内力偶矩M404,且外力偶矩M405所在的平面和内力偶矩M404所在的平面均垂直于受试材料416的扭转轴。试验中,当受试材料所能够产生抵抗扭曲变形的最大内力偶矩M404小于外力偶矩M405时,受试材料416将产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡空间力偶矩作用,其也将产生转动或产生转动的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据空间力偶系平衡的必要与充分条件,本领域技术人员利用系统平衡力406及406`…的量值变化和位置参数,能够精确测定受试材料416的内力偶矩404与外力偶矩405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416的内力偶矩404的变化。参照本发明第一个实施方式中所详细描述的力系平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,使惯性参照系401所提供的系统平衡力406构成的力矩如图所示的布置于外力偶矩405和内力偶矩404所在的平面内,则会更有利于分析和计算。附图中还显示了由单一分量系统平衡力406``使刚性载荷叠加器402平衡的实例,根据力线平移定理,单一分量系统平衡力406``能够向刚性受试材料416的扭转轴平行移动,系统平衡力406``对受试材料416的作用效果将被简化为M406``和R406``。调整外力偶矩405及系统平衡力406``的量值,使R406``对受试材料416的作用效果在平衡计算中达到可以忽略的地步,其作用将与向受试材料416提供一个外力偶矩M406的作用等效,将更便于简化测量操作。
实际测量中,刚性载荷叠加器还将承载更多的载荷,例如空气浮力以及保持测量初始平衡的载荷等,如何消除或修正其对测量结果的影响,已被本领域技术人员所公知,不属于本公开所保护的范围,故本公开未对其进行详细说明。
利用该材料内力平衡测量,适当调整外部试验载荷405的量值,该装置将产生多种测量效果,例如对材料内力以及材料内力松弛实现精确测量。
该装置应用本发明所公开的载荷平衡测量装置或测量传感器,将提供用于高度精确和灵敏的测量受试材料内力与外部载荷的平衡状况的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有同类测量无法对材料内力平衡实现精确测量的技术难题；由其派生的材料力学性能测量装置还将在一定程度上解决诸如材料内力测量、材料内力松弛测量、材料杨氏模量测量以及材料变形与材料内力单值函数关系测定等测量领域所遇到的技术难题,尤其是所公布的材料内力测量装置还将首次对材料轴力、材料剪力、受弯材料内力偶矩以及受扭材料内力偶矩实现精确测量,根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料力学性能测量装置的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据,期望该装置能够在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发以及新材料研制过程中得到广泛的应用,期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置、新型力学测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第六个实施方式,一种材料弹性模量测定或材料轴力与材料轴向变形测量,请参阅图4e,该装置包括本发明第五个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量,其不同之处在于刚性载荷叠加器402将轴向拉伸或轴向压缩力405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在轴向拉伸或轴向压缩力405作用下已产生可被度量的轴向变形δ,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙δ；且轴向拉伸或轴向压缩力405包括标准载荷。参照本发明第五个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生轴向变形δ时系统平衡力406及406`…的量值,根据共线力系平衡的充要条件,受试材料416的材料轴力404+轴向拉伸或轴向压缩力405+系统平衡力406＝0,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生轴向变形δ时其所对应的材料轴力404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416的轴向变形δ和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第五个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量,请参阅图4a,其中轴向拉伸或轴向压缩力405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第五个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416轴向变形状况,根据共线力系平衡的充要条件,受试材料416的材料轴力404+轴向拉伸或轴向压缩力405+系统平衡力406＝0,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416轴向变形δ与其轴力404的对应关系实现精确测量。实际测量中轴向拉伸或轴向压缩力405选用可调整的标准载荷将能够提高测量效率。根据材料杨氏模量公式E＝(F/S)/(dL/L),其中F＝材料轴力404；轴向拉伸或轴向压缩力405+系统平衡力406+材料轴力404＝0、dL＝轴向变形δ、S＝原始截面积、L＝原始长度,试验前精确测量受试材料416的原始长度以及原始截面积,将能够精确测定材料杨氏模量；另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料轴力与材料轴向变形的单值函数关系实现精确标定。
该装置依据材料弹性假设和材料杨氏模量定义,应用本发明所公开的材料内力平衡测量,用试验的方法对材料杨氏模量以及材料产生轴向变形时所对应的材料轴力实现精确测定,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服以往杨氏模量试验中试件断后伸长量的测量和引伸计标距引起的不确定度对测量结果造成的影响；其还将在一定程度上解决用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及精确测量材料轴力与材料轴向变形的单值函数关系的技术难题；根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料杨氏弹性模量测定以及材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用,期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第七个实施方式,一种材料抗剪性能测定或材料剪力与材料受剪变形测量,请参阅图4f,该装置包括本发明第五个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量,其不同之处在于,刚性载荷叠加器402将剪切力405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在剪切力405作用下已产生可被度量的剪切变形δ,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙δ；且剪切力405包括标准载荷。参照本发明第五个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生剪切变形δ时系统平衡力406及406`…的量值,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生剪切变形δ时,其所对应的材料剪力404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416的剪切变形和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第五个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量,请参阅图4b,其中剪切力405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第五个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416剪切变形状况,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416剪切变形δ与其剪力404的对应关系实现精确测量。实际测量中剪切力405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料剪力与材料剪切变形的单值函数关系实现精确标定。
利用该装置能够对材料产生剪切变形时所对应的剪力实现精确测量,继而能够对材料剪力与材料剪切变形的单值函数关系实现精确标定。该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及无法精确测定材料剪力与材料剪切变形单值函数关系的技术难题；根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用,期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第八个实施方式,一种材料抗弯性能测定或受弯材料内力偶矩与材料受弯变形的测量,请参阅图4g,该装置包括本发明第五个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量,其不同之处在于,刚性载荷叠加器402将外力偶矩405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在外力偶矩405作用下已产生可被度量的弯曲变形δ,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙δ；且外力偶矩405包括标准载荷,参照本发明第五个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生弯曲变形δ时系统平衡力406及406`…的量值,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生弯曲变形δ时,其所对应的受弯材料内力偶矩404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416变形和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第五个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量,请参阅图4c,其中,外力偶矩405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第五个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416弯曲变形状况,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416弯曲变形δ与受弯材料内力偶矩404的对应关系实现精确测量。实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料抗弯内力偶矩与材料弯曲变形的单值函数关系实现精确标定。
利用该装置能够对材料产生弯曲变形时所对应的所述内力偶矩实现精确测量,继而能够对材料抗弯内力偶矩与材料弯曲变形的单值函数关系实现精确标定。该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及无法精确测定受弯材料内力偶矩与材料受弯变形单值函数关系的技术难题。根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用；期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第九个实施方式,一种材料抗扭性能测定或受扭材料内力偶矩与材料受扭变形的测量,请参阅图4h,该装置包括本发明第五个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量,其不同之处在于,刚性载荷叠加器402将外力偶矩405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在外力偶矩405作用下已产生可被度量的扭曲变形α,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙α；且外力偶矩405包括标准载荷,参照本发明第五个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生扭转变形α时系统平衡力406及406`…的量值,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生扭转变形α时,其所对应的受扭材料内力偶矩404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416变形和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第五个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量,请参阅图4d,其中,外力偶矩405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第五个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416扭曲变形状况,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416扭曲变形α与受扭材料内力偶矩404的对应关系实现精确测量。实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料抗扭内力偶矩与材料扭曲变形的单值函数关系实现精确标定。
利用该装置能够对材料产生扭曲变形时所对应的所述内力偶矩实现精确测量,继而能够对材料抗扭内力偶矩与材料扭曲变形的单值函数关系实现精确标定。该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量的特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及无法精确测定受扭材料内力偶矩与材料受扭变形单值函数关系的技术难题。根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用；期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十个实施方式,一种微动测量。该装置包括本发明第一个实施方式所详细描述的载荷平衡测量,其不同之处在于力敏元件203包括弹性力敏元件,且弹性力敏元件203串接于惯性参照系201与刚性载荷叠加器202之间,用于感知并测定惯性参照系201和刚性载荷叠加器202之间的距离及距离变化,
图2a、图2b显示的是直线位移测量的示意图,图2c显示的是平面平移测量的示意图,图2d、图2e显示的是平面内无回转轴的角位移测量的示意图,图2f、图2g及图2h显示的是平面微动测量的示意图,图2i、图2j显示的是平面内有固定回转中心的角位移测量的示意图,图2k、图2l以及图2m则显示的是空间内微动测量的示意图。
对于测量中无法避免的测量系统附加载荷以及系统摩擦力,其将可以被视为第一、第二个载荷的一个分量参与系统平衡,因此本实施例将测量系统附加载荷和系统摩擦力对测量的影响也纳入了平衡测量的范围,从而将进一步减小系统不确定度对测量结果产生的影响。
图中第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202作用效果的任何变动都将改变刚性载荷叠加器202的运动状态,将引起刚性载荷叠加器202与惯性参照系201之间的间距产生变化,从而使串接于惯性参照系201与刚性载荷叠加器202之间的弹性力敏元件203受到拉伸或挤压产生弹性变形,弹性力敏元件203在受力方向上的边界变形量与刚性载荷叠加器202的位移变化量相等。参照本发明第一个实施方式所详细描述的载荷平衡测量的测量步骤以及力系的简化方法,使弹性力敏元件203的测量轴线与刚性载荷叠加器202的运动轴线重合,如图中所示,则会提高测量的准确度。另据本发明所公布的材料内力与材料受力变形的标定方法所测定的材料受力与变形的对应关系,便能够通过系统平衡力206的量值及量值变化,准确的测定出刚性载荷叠加器202的位移及位移变化量。
实际测量中,刚性载荷叠加器还将承载更多的载荷,例如空气浮力以及保持测量初始平衡的载荷等,如何消除或修正其对测量结果的影响,已被本领域技术人员所公知,不属于本公开所保护的范围,故本公开未对其进行详细说明。
该测量依据弹性力敏元件受力与变形具有单值函数关系的特性,应用本发明所公布的载荷平衡测量,采用接触式测量方式,将提供用于高度精确和灵敏的测量微位移的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量的特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术无法对微动实现高精度、高分辨率测量的技术难题；由其派生的微动控制装置和精确定位、控制还将在一定程度上解决诸如精确定位控制等测量控制领域的技术难题；根据本发明制作的装置期望能够成为现有微位移测量控制技术的补充,在精密机械加工以及装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为微动测量机构、微动控制机构以及精确定位机构的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十一个实施方式,一种微动控制,该装置包括本发明第十个实施方式所详细描述的微动测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的标准载荷,请参阅图2a至图2l。参照本发明第十个实施方式所详细描述的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205(标准载荷)与第二个载荷204(标准载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202将产生运动,且该运动将被弹性力敏元件203所测定。
图2a、图2b显示的是直线位移控制的示意图,该装置包括本发明第十个实施方式中所详细描述的直线位移测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的单一分量标准作用力载荷。参照本发明第十个实施方式中所详细描述的直线位移测量的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205(单一分量的标准作用力载荷)与第二个载荷204(单一分量的标准作用力载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。若第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对直线位移的控制,在此条件下若选择与第一个载荷205量值更为接近的第二个载荷204进行调整,将更有利于对直线微位移的精确控制。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的直线位移。
图2c显示的是平面位移控制的示意图,该装置包括本发明第十个实施方式中所详细描述的平面平移测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的单一分量标准作用力载荷。参照本发明第十个实施方式中所详细描述的平面平移测量的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205(单一分量的标准作用力载荷)与第二个载荷204(单一分量的标准作用力载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202以及与其固定连接部件的平面位移。
图2d、图2e显示的是平面内无回转轴的角位移控制的示意图,该装置包括本发明第十个实施方式中所详细描述的平面内无回转轴的角位移测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的标准力偶矩载荷。参照本发明第十个实施方式中所详细描述的平面内无回转轴的角位移测量的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生角位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。若第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对角位移的控制,在此条件下若选择与第一个载荷205量值更为接近的第二个载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确控制。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的角位移。
图2f、图2g及图2h显示的是平面微动控制的示意图,该装置包括本发明第十个实施方式中所详细描述的平面微动测量装置,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的单一分量标准作用力载荷或标准力偶矩载荷。参照本发明第十个实施方式中所详细描述的平面微动测量装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205与第二个载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生微动,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202以及与其固定连接部件的平面微动。
图2i、图2j显示的是平面内有固定回转中心的角位移控制的示意图,该装置包括本发明第十个实施方式中所详细描述的平面内有固定回转中心的角位移测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的标准转矩载荷。参照本发明第十个实施方式中所详细描述的平面内有固定回转中心的角位移测量的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202绕回转中心O产生角位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。若第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对有固定回转中心的角位移控制,在此条件下若选择与第一个载荷205量值更为接近的第二个载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确控制。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的角位移。
图2k、图2l显示的是空间内微动控制的示意图,该装置包括本发明第十个实施方式中所详细描述的空间内微动测量,其不同之处在于第一个载荷205和第二个载荷204包括可调整的单一分量标准作用力载荷或标准力偶矩载荷。参照本发明第十个实施方式中所详细描述的空间内微动测量的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,从而实现对刚性载荷叠加器202以及与其固定连接部件在平面内或空间内微动的控制。
该装置利用载荷平衡原理,应用本发明所公布的载荷平衡测量,采用无间隙控制方式,对微动实现精确控制和测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量控制的特性,其至少在一定程度上能够克服现有微位移系统的不确定性对微动控制造成影响的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有微动控制机构的补充,在精密机械加工以及装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为微动测量机构、微动控制机构以及精确定位机构的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十二个实施方式,一种精确定位控制该装置包括本发明第十一个实施方式所详细描述的微动控制,其不同之处在于:预先设定刚性载荷叠加器202处于最终位置时弹性力敏元件203的受力状况。根据本发明在后叙述的材料内力与材料受力变形的标定方法所测定的材料受力与变形的对应关系,能够通过弹性力敏元件203的受力状况判断刚性载荷叠加器202所处的位置与设定位置的偏差。参照本发明第十一个实施方式所详细描述的微动控制的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,控制、调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,使弹性力敏元件203的受力状况达到预先设定值,从而实现刚性载荷叠加器202精确定位的目的。图2a、图2b显示的是直线位移定位控制装置的示意图,若第一个标准载荷205与第二个标准载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对直线位移的定位控制,在此条件下若选择与第一个标准载荷205量值更为接近的第二个标准载荷204进行调整,将更有利于对直线微位移的精确定位控制。图2c显示的是平面位移定位控制装置的示意图,图2d、e显示的是无固定回转中心的角位移定位控制装置的示意图,若第一个标准载荷205与第二个标准载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对角位移的定位控制,在此条件下若选择与第一个标准载荷205量值更为接近的第二个标准载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确定位控制。图2f、图2g及图2h显示的是平面微动定位控制装置的示意图,图2i、图2j显示的是有固定回转中心的角位移定位控制装置的示意图,若第一个标准载荷205与第二个标准载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对有固定回转中心的角位移实现定位控制,在此条件下若选择与第一个标准载荷205量值更为接近的第二个标准载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确定位控制。图2k、图21显示的是空间内微动定位控制装置的示意图。
该装置依据弹性力敏元件受力与变形具有单值函数关系的特性,应用本发明所公布的载荷平衡测量,采用无间隙控制方式,实现精确控制定位,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量控制的特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术无法实现精确定位的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有精确定位装置的补充,在精密机械加工以及装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为微动测量机构、微动控制机构以及精确定位机构的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十三个实施方式,一种实施本发明载荷平衡测量的第一个实施方式的载荷平衡测量装置或测量传感器,请参阅图3a,该装置包括刚性载荷叠加器302、惯性参照系301以及力敏元件303。
刚性载荷叠加器302,对外部第一个施载物体3051和外部第二个施载物体3041对刚性载荷叠加器302的作用效果实施叠加和传递的刚体或非绝对刚体,其可以是具体零部件,也可以是受力部件本身,其包括由一个或多个承载单元3011构成的第一处承载部位Ⅰ、第二处承载部位Ⅱ以及第三处承载部位Ⅲ；
所述承载单元3011的作用包括对施载物体或惯性参照系对所述刚性载荷叠加器的单一分量正向、负向亦或是正负两个方向的作用效果实施承载,其承载形式可以是点接触、线接触或面接触；
所述外部第一个施载物体3051对刚性载荷叠加器302的作用效果形成所述第一个载荷305。该载荷305若为体载荷,其将由刚性载荷叠加器302整体作为一处承载部位对其实施承载；该载荷305若为单一分量、多分量作用效果的线载荷或面载荷,其将由刚性载荷叠加器302第一处承载部位Ⅰ的一个或多个承载单元3011所承载；
所述外部第二个施载物体3041对刚性载荷叠加器302的作用效果形成所述第二个载荷304。该载荷304若为体载荷,其将由刚性载荷叠加器302整体作为一处承载部位对其实施承载；该载荷304若为线载荷或面载荷,其将由刚性载荷叠加器302第二处承载部位Ⅱ的一个或多个承载单元3011所承载；
第一个载荷305与第二个载荷304还包括多个载荷共同作用的等效载荷；
外部第一个施载物体3051、第二个施载物体3041也包括刚性载荷叠加器302本身。
惯性参照系301,测量中选取的参考系,其对刚性载荷叠加器302的作用效果包括使刚性载荷叠加器302相对于其保持静止。该作用效果对刚性载荷叠加器302形成一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的系统平衡力306,其由刚性载荷叠加器302第三处承载部位Ⅲ的一个或多个承载单元3011所承载。
力敏元件303及303`…,对力敏感的弹性或非弹性元件,其包括采用接触或非接触方式对单一分量作用力正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化实施测量。
请参阅图3a,试验之初,第一个施载物体3051与第二个施载物体3041对刚性载荷叠加器302的作用效果构成原力系,刚性载荷叠加器302在原力系主矢与主矩的作用下产生移动、转动或产生移动、转动的趋势,为使刚性载荷叠加器302相对于惯性参照系301保持相对静止,由惯性参照系301向刚性载荷叠加器302的第三处承载部位Ⅲ提供一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的系统平衡力306及307…,其分别由第三处承载部位Ⅲ的一个或多个承载单元3011所承载,且系统平衡力306及307…的力值或力值变化被力敏元件303及303`…所测量。即刚性载荷叠加器302将原力系对刚性载荷叠加器302的作用效果与惯性参照系301对刚性载荷叠加器302的作用效果相叠加,其处于平衡状态,系统平衡力306及307…在与原力系的主矢相平衡的同时,其产生力偶矩的矩矢还与原力系的主矩平衡。
通过对系统平衡力306及307…的精确测量,该装置能够对第一个施载物体3051和第二个施载物体3041对刚性载荷叠加器302作用效果的平衡状况实现精确测量,结合系统平衡力306及307…的位置参数该装置还能够精确计算出卸载系统平衡力306及307…后,原力系的不平衡度。
对于测量中无法避免的测量系统附加载荷以及系统摩擦力,其将可以被视为第一、第二个载荷的一个分量参与系统平衡,因此本实施例将测量系统附加载荷和系统摩擦力对测量的影响也纳入了平衡测量的范围,从而将进一步减小系统不确定度对测量结果产生的影响。
以下分别对平面汇交力系、平面力偶系、平面任意力系、空间平衡力系以及任意空间力系平衡测量装置的技术方案做进一步阐述。请参阅图2a至图2m,由于本实施例及在后叙述的各实施方式都是围绕本发明第一至第四、第十至第十二个实施方式而展开,为了更简洁、清楚的加以说明,在后的叙述将引用本发明第一至第四、第十至第十二个实施方式的附图。请对比图3a与图2c,应当理解,本实施方式具有如下的对应关系,即本实施方式所述第一个施载物体3051对刚性载荷叠加器302的作用效果—第一个载荷305被刚性载荷叠加器302第一处承载部位Ⅰ的各承载单元3011或刚性载荷叠加器302整体所承载,其与第一个实施方式附图中的第一个载荷205相对应；第二个施载物体3041对刚性载荷叠加器302的作用效果—第二个载荷304被刚性载荷叠加器302第二处承载部位Ⅱ的各承载单元3011或刚性载荷叠加器302整体所承载,其与第一个实施方式附图中的第二个载荷204相对应；惯性参照系301对刚性载荷叠加器302的作用效果—系统平衡力306及307…被刚性载荷叠加器302第三处承载部位Ⅲ的各承载单元3011所承载,其与第一个实施方式附图中的系统平衡力206及207…相对应。虽然在后所引用的附图中未显示第一个施载物体3051、第二个施载物体3041、第一处承载部位Ⅰ、第二处承载部位Ⅱ和第三处承载部位Ⅲ以及各承载部位的承载单元3011,但由于存在上述对应关系,因此在后的叙述应当视为已经做出了清楚、完整的附图说明。
请参阅图2a、图2b,若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是作用线重合的两个单一分量的作用力载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原共线力系,本实施方式构成共线力系平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206及206`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202的作用效果的主矢与原共线力系的主矢相平衡,且系统平衡力206及206`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206及206`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原共线力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206及206`…后,原共线力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206及206`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206对刚性载荷叠加器202作用效果的作用线与前述第一个载荷205和第二个载荷204的作用线相重合,则会更有利于分析和计算。图2a显示的是反向且共线力平衡测量装置的示意图,选择与第一个载荷205更为接近的第二个载荷204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程作用力平衡测量的目的。图2b显示的是同向且共线作用力载荷平衡测量装置的示意图。
请参阅图2c,若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是作用线相交的两个单一分量的作用力载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面汇交力系,本实施方式构成平面汇交力系平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206及206`…和系统平衡力207及207`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R206与系统平衡力207及207`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R207构成汇交力系,该汇交力系与原平面汇交力系相平衡,且系统平衡力206、206`、207及207`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207及207`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面汇交力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207及207`…后,原平面汇交力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207及207`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206与207对刚性载荷叠加器202的作用效果相互垂直,且其与原平面汇交力系共面,则会更有利于简化分析和计算。
请参阅图2d、图2e若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是共面的两个力偶矩载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面力偶系,本实施方式构成平面力偶系平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206及206`…和系统平衡力207及207`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R206与系统平衡力207及207`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R207构成力偶系,该力偶系的主矩与原平面力偶系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207及207`…的力值或力值变化被力敏元件203`及203``…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207及207`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面力偶系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207及207`…后,原平面力偶系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207及207`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206与207构成与原平面力偶系共面的平面力偶系,则会更有利于分析和计算。图2d显示的是反向且共面力偶矩载荷平衡测量装置的示意图,选择与第一个力偶矩205更为接近的第二个力偶矩204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程力偶矩平衡测量的目的。图2e显示的是同向且共面力偶矩载荷平衡测量装置的示意图。
请参阅图2f,若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是位于同一平面内的两个任意载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面任意力系,本实施方式构成平面任意力系平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…,系统平衡力对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢分别为R206、R207、R208以及R209,其中R206与R207构成汇交力系,该汇交力系的主矢与原平面任意力系的主矢相平衡；主矢R208与R209构成力偶系,该力偶系的主矩与原平面任意力系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…的力值或力值变化被力敏元件203、203`及203``…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面任意力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…后,原平面任意力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207、207`、208、208`、209及209`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206、207、208以及209共面,系统平衡力206与207相互垂直,系统平衡力208及209构成平面力偶系,则会更有利于分析和计算。
请参阅图2g、图2h若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是两个作用线相互平行的单一分量作用力载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面平行力系,本实施方式构成平面平行力系平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206及206`…和系统平衡力207及207`…,系统平衡力206及206`…的主矢R206与系统平衡力207及207`…的主矢R207在与原平面平行力系的主矢相平衡的同时,其与矩心O之矩还和原平面平行力系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207及207`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207及207`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面平行力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207及207`…后,原平面平行力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207及207`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206与207相互垂直,且使其构成的汇交力系与原平面汇交力系共面,则会更有利于分析和计算。图2g显示的是平面反向平行力系平衡测量装置的示意图,图2h显示的是平面同向平行力系平衡测量装置的示意图。
请参阅图2i、图2j若刚性载荷叠加器202具有固定回转中心O,前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是同一回转平面内的两个转矩载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平面转矩力系,本实施方式构成平面转矩平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206及206`…,系统平衡力206及206`…对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢R206在与原平面转矩力系的主矢相平衡的同时,其与回转中心O之矩还和原平面转矩力系的主矩相平衡,且系统平衡力206及206`…的力值或力值变化被力敏元件203及203`…所测量。通过对系统平衡力206及206`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面转矩力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206及206`…后,原平面转矩力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206及206`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206构成与原平面转矩力系共面的平面转矩,则会更有利于分析和计算。图2i显示的是同一回转平面内反向转矩载荷平衡测量装置的示意图,选择与第一个转矩205更为接近的第二个转矩204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程转矩平衡测量的目的。图2j显示的是同一回转平面内同向转矩载荷平衡测量装置的示意图。
请参阅图2l,若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是空间内两个任意载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原任意空间力系,本实施方式构成任意空间力系平衡测量装置。为使刚性载荷叠加器202处于受力平衡状态,由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202第三处承载部位Ⅲ的各承载单元2011提供单一分量的系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`…,系统平衡力对刚性载荷叠加器202作用效果的主矢分别为R206、R207、R208、R2010以及R2011,其中主矢R206、R207与R208对刚性载荷叠加器202的作用效果构成汇交力系,该汇交力系的主矢与原任意空间力系的主矢相平衡；主矢R2010与R2011对刚性载荷叠加器202的作用效果构成力偶系,该力偶系的主矩与原任意空间力系的主矩相平衡,且系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`…的力值或力值变化被力敏元件203、203`及203``…所测量。通过对系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`…的精确测量,该装置能够准确测量出作用于刚性载荷叠加器202的原平面任意力系的平衡状况；结合系统平衡力的位置参数还能够精确计算出卸载系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`…后,原任意空间力系的不平衡度。调整刚性载荷叠加器202各承载接触面的承载角度以及系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`…的施载位置和角度,使惯性参照系201所提供的系统平衡力206、207及208对惯性参照系201的作用效果是相互垂直的汇交力系,使惯性参照系201所提供的系统平衡力2010与2011构成与原任意空间力系的主矩共面的力偶矩,则会更有利于分析和计算。图2k则显示的是空间汇交力系平衡测量装置或测量传感器的示意图。
请参阅图2m,若前述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果—第一个载荷205与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果—第二个载荷204是空间内一组平衡载荷,则第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202构成原平衡力系,本实施方式构成平衡力系平衡测量装置。由惯性参照系201向刚性载荷叠加器202提供的系统平衡力206与206`、207与207`、208与208`,其分别构成三组成角度的平衡力,系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`的力值或力值变化被力敏元件203、203`及203``…所测量,该三组平衡力不影响原平衡力系的平衡状态。通过对系统平衡力206、206`、207、207`、208及208`的精确测量,该装置能够准确的检测作用于刚性载荷叠加器202的空间平衡力系的平衡状况。同理,对于平面平衡力系的平衡可以向力系平面内施加至少两对成角度布置的平衡力来测量；对于共线平衡力系而言,可在非垂直于共线平衡力系作用线的方向上施加平衡力来测量。
实际测量中,刚性载荷叠加器还将承载更多的载荷,例如空气浮力以及保持测量初始平衡的载荷等,如何消除或修正其对测量结果的影响,已被本领域技术人员所公知,不属于本公开所保护的范围,故本公开未对其进行详细说明。
该装置依据平衡原理,利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,将提供用于高度精确和灵敏的测量平面任意力系、任意空间力系、任意平衡力系平衡状况的装置,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其中所公开的反向共线作用力载荷、反向平面转矩载荷以及反向平面力偶矩载荷平衡测量装置,最大限度的减小了大量程载荷对测量部件的影响,其至少在一定程度上能够克服现有测量中无法对极限量程载荷平衡实施精确测量的技术难题；由其派生的物理量及材料力学性能测量装置还将在一定程度上解决诸如极限量程载荷测量、材料内力测量、材料内力松弛测量、材料杨氏模量测量、材料变形与材料内力单值函数关系测定、极限量程位移测量以及精确控制和定位等测量领域所遇到的技术难题,尤其是所公布的材料内力测量装置还将首次对材料轴力、材料剪力、受弯材料内力偶矩以及受扭材料内力偶矩实现精确测量,所公布的载荷发生或载荷变化控制装置还将为超微力值提供一条量值溯源途径；根据本发明制作的装置期望能够成为现有测量装置的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据,在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发、新材料研制、精密机械加工乃至装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置、新型力学测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十四个实施方式,一种载荷相对变化的测量装置或测量传感器,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的共线力平衡测量装置、平面力偶系平衡测量装置以及平面转矩平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果反向,请参阅图2a、图2d以及图2i。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
图2a显示的是反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的示意图,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的共线力平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的共线力平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
图2d显示的是反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置的示意图,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的平面力偶系平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的平面力偶系平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
图2i显示的是同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置的示意图,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的平面转矩平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的平面转矩平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果量值的相对变化。
该装置充分发挥现有检测装置高精度的测量特性,采用直接测量载荷平衡修正值或不平衡度的思路,对载荷间量值的相对变化实现精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的利用测量载荷绝对量值进而计算载荷相对变化的测量技术,具有大量程、全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,根据本发明制作的装置期望能够成为现有测力称重装置的补充,在极限量程载荷测量中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪以及新型力学测量装置的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十五个实施方式,载荷相对变化的测量装置或测量传感器在全量程载荷变化测量中的应用,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置、反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置以及同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果恒定,请参阅图2a、图2d以及图2i。按照本发明第十四个实施方式的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够准确的测量出第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果量值的变化状况。
图2a显示的是全量程单一分量作用力载荷变化测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果是恒定的作用力载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够准确的测量出第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果量值的变化状况。
图2d显示的是平面力偶矩载荷变化测量装置的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果是恒定的力偶矩载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够准确的测量出第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果量值的变化状况。
图2i显示的是转矩载荷变化测量装置的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果是恒定的转矩载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够准确的测量出第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果量值的变化状况。
选择与上述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果更为接近的第二个载荷204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程载荷变化测量的目的。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的载荷相对变化的测量装置或测量传感器,实现对全量程载荷微动变化的精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有大量程、全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其突破了以往通过测量载荷绝对量值进而计算载荷相对变化的技术思路,至少在一定程度上能够克服现有技术无法对极限载荷微量变化实施精确测量的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有测力称重装置的补充,在极限量程载荷测量中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪以及新型力学测量装置的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十六个实施方式,载荷相对变化的测量装置或测量传感器在全量程载荷量值传递测量中的应用,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置、反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置以及同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果以及外部标准载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果由刚性载荷叠加器202的第一处承载部位Ⅰ分别承载并实施对比测量,且第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器的作用效果恒定,请参阅图2a、图2d以及图2i。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个施载物体2051与所述外部标准载荷对刚性载荷叠加器202作用效果的差距,从而将所述外部标准载荷的量值精确传递给第一个载荷205。
图2a显示的是全量程单一分量作用力载荷量值传递测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置,其不同之处在于刚性载荷叠加器202的第一处承载部位Ⅰ分别对第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果和外部单一分量标准力(图中未显示)对刚性载荷叠加器202的作用效果实施承载,且第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果是恒定的作用力载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个载荷205与外部单一分量标准力的差距,从而将外部单一分量标准力的量值精确传递给第一个载荷205。
图2d显示的是全量程力偶矩载荷量值传递测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于刚性载荷叠加器202的第一处承载部位Ⅰ分别对第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果和外部标准力偶矩载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果实施承载,且第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果是恒定的力偶矩载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个载荷205与外部标准力偶矩载荷的差距,从而将外部标准力偶矩载荷的量值精确的传递给第一个载荷205。
图2i显示的是全量程转矩载荷量值传递测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于刚性载荷叠加器202的第一处承载部位Ⅰ分别对第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202的作用效果和外部标准转矩载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果实施承载,且第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果是恒定的转矩载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个载荷205与外部标准转矩载荷的差距,从而将外部标准转矩载荷的量值精确的传递给第一个载荷205。
选择与上述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果更为接近的第二个载荷204,能够在不降低测量精度的前提下实现全量程载荷量值传递测量的目的。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的载荷相对变化的测量装置或测量传感器,实现对全量程载荷量值传递,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有大量程、全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术无法对极限力值实施量值传递的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有测力称重装置的补充,在极限量程载荷测量中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪以及新型力学测量装置的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明载荷平衡测量的第十七个实施方式,载荷相对变化的测量装置或测量传感器在全量程载荷测量中的应用,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置、反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置以及同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果是标准载荷,请参阅图2a、图2d以及图2i。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果的差距,从而将第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(标准载荷)的量值精确传递给第一个载荷205。
图2a显示的是全量程单一分量作用力载荷测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果是单一分量标准力载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个施载物体2051与第二个施载物体2041(单一分量标准力载荷)对所述刚性载荷叠加器202作用效果的差距,从而将第二个施载物体2041(单一分量标准力载荷)对所述刚性载荷叠加器202的作用效果的量值精确传递给第一个载荷205。
图2d显示的是全量程力偶矩载荷测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果是标准力偶矩载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202作用效果的差距,从而将第二个施载物体2041(标准力偶矩载荷)对所述刚性载荷叠加器202的作用效果的量值精确传递给第一个载荷205。
图2i显示的是全量程转矩载荷测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果是标准转矩载荷。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够精确测量得出第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202作用效果的差距,从而将第二个施载物体2041(标准转矩载荷)对所述刚性载荷叠加器202的作用效果的量值精确传递给第一个载荷205。
选择与上述第一个施载物体2051对刚性载荷叠加器202作用效果更为接近的第二个载荷204(标准载荷),能够在不降低测量精度的前提下实现全量程载荷测量的目的。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的载荷相对变化的测量装置或测量传感器,实现对全量程载荷测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有大量程、全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于对极限力值实施精确测量的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有测力称重装置的补充,在极限量程载荷测量中得到广泛的应用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪以及新型力学测量装置的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十八个实施方式,载荷相对变化的测量装置或测量传感器在微小量程载荷测量中的应用,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置、反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置以及同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)包括由微小量程载荷205`与测量系统附加静转矩载荷204`共同作用构成的载荷；第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果恒定且其与测量系统附加静载荷204`对刚性载荷叠加器202的作用效果反向,请参阅图2n、图2o、图2p、图2q、图2r以及图2s。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置第二个施载物体2041完全平衡或部分平衡所述测量系统附加静载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果,从而在大系统附加静载荷背景影响下实现对微小量程载荷205`的精确测量。
图2n显示的是微小量程单一分量作用力载荷测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205,未显示)包括由微小量程单一分量作用力载荷205`与测量系统附加静转矩载荷204`共同作用构成的载荷；第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果恒定且其与测量系统附加静载荷204`对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置第二个施载物体2041完全平衡或部分平衡所述测量系统附加静载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果,从而在大系统附加静载荷背景影响下实现对微小量程载荷205`的精确测量。
图2o显示的是微小量程力偶矩载荷测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205,未显示)包括由微小量程力偶矩载荷205`与测量系统附加静转矩载荷204`共同作用构成的载荷；第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果恒定且其与测量系统附加静载荷204`对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置第二个施载物体2041完全平衡或部分平衡所述测量系统附加静载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果,从而在大系统附加静载荷背景影响下实现对微小量程载荷205`的精确测量。
图2p显示的是微小量程转矩载荷测量的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205,未显示)包括由微小量程转矩载荷205`与测量系统附加静转矩载荷204`共同作用构成的载荷；第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果恒定且其与测量系统附加静载荷204`对刚性载荷叠加器202的作用效果反向。按照本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置第二个施载物体2041完全平衡或部分平衡所述测量系统附加静载荷对刚性载荷叠加器202的作用效果,从而在大系统附加静载荷背景影响下实现对微小量程载荷205`的精确测量。
请参阅图2q、图2r、图2s,由于本发明所述任意一个载荷还包括多个载荷共同作用的等效载荷,若本实施方式中第一个载荷205包括多个同向载荷205`、205``…以及测量系统附加静载荷204`共同作用的载荷,则本实施方式将能够在大系统附加静载荷背景影响下对多个微小量程载荷205`和205``…实现精确叠加测量。
选择与上述测量系统附加静载荷204`更为接近的第二个载荷204(静载荷),能够在不降低测量精度的前提下实现微小量程载荷高精度测量。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的载荷相对变化的测量装置或测量传感器,在大系统附加载荷背景影响下实现对微小量程载荷的精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于在大测量系统附加载荷影响下对微小量程载荷实现精确测量的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有测力称重装置的补充,在极限量程载荷测量中起到重要作用,期望该装置能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪以及新型力学测量装置的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第十九个实施方式,一种载荷叠加测量装置或测量传感器,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的同向且共线作用力载荷平衡测量装置、同向且共面力偶矩载荷平衡测量装置以及同一回转平面内同向转矩载荷平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果同向,请参阅图2b、图2e以及图2j。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,该装置实现对多个同向载荷精确叠加测量的目的。
图2b显示的是同向且共线作用力载荷叠加测量装置的示意图,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的同向且共线作用力载荷平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果同向。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的同向且共线作用力载荷平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
图2e显示的是同向且共面力偶矩载荷叠加测量装置的示意图,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的同向且共面力偶矩载荷平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果同向。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的同向且共面力偶矩载荷平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
图2j显示的是同一回转平面内同向转矩载荷叠加测量装置的示意图,该装置包括本发明第十三个实施方式中所详细描述的同一回转平面内同向转矩载荷平衡测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果同向。按照本发明第十三个实施方式中所详细描述的同一回转平面内同向转矩载荷平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够对第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果实现叠加测量。
该测量装置充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,采用叠加测量方式对多个同向载荷实现精确叠加测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十个实施方式,一种载荷发生或载荷变化控制装置,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置、反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置以及同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的标准载荷,请参阅图2a、图2d及图2i。参照本发明第十四个实施方式中所详细描述的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(标准载荷)与第二个载荷204(标准载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202的第三处承载部位Ⅲ的承载单元与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷,且该载荷被所述力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
图2a显示的是单一分量作用力载荷发生、控制装置的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的单一分量标准作用力载荷。参照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向且共线作用力载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(单一分量的标准作用力载荷)与第二个载荷204(单一分量的标准作用力载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202的第三处承载部位Ⅲ的承载单元与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷206,且该新量值的载荷206被力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
图2d显示的是平面力偶矩载荷发生、控制装置的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的标准力偶矩载荷。参照本发明第十四个实施方式中所详细描述的反向共面力偶矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(标准力偶矩载荷)与第二个载荷204(标准力偶矩载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202的第三处承载部位Ⅲ的承载单元与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷206,且该新量值的载荷206被力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
图2i显示的是平面转矩载荷发生、控制装置的示意图,该装置包括本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的标准转矩载荷。参照本发明第十四个实施方式中所详细描述的同一回转平面内转矩载荷相对变化测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,调整第一个载荷205(标准转矩载荷)与第二个载荷204(标准转矩载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202的第三处承载部位Ⅲ的承载单元与惯性参照系201之间将获得新量值的载荷206,且该新量值的载荷206被力敏元件203测量。该装置将能够产生新量值的载荷或对载荷变化实现精确控制。
选择与上述第一个标准载荷205更为接近的第二个标准载荷204,能够在不降低测量精度的前提下得到更微小的载荷。
该装置利用载荷平衡原理,采用无间隙控制方式,产生精准且稳定的微载荷,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现阶段由于超微力值计量体系未建立而造成超微力值无法溯源的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有微力发生装置的补充,为超微力值提供一种量值溯源途径,为研制超微力值计量仪器装备的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十一个实施方式,一种材料内力平衡测量装置或测量传感器,请参阅图4a至图4d,该装置包括本发明第十三个实施方式所详细描述的载荷平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于:刚性载荷叠加器402的第二处承载部位Ⅱ的承载单元4011所承载的所述第二个载荷404包括受试材料416的内力,刚性载荷叠加器402的第一处承载部位Ⅰ的承载单元4011所承载的第一个载荷405包括由体力或面力形成的外部试验载荷,该外部试验载荷405使受试材料416产生内力404。据胡克定理表述:固体材料受力之后,材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系,即在弹性极限范围内,材料的内力与材料变形成正比；另根据弹性理论对材料内力的描述:在外力作用下的物体发生变形,变形改变了分子间距,在物体内形成一个随变形而增大的附加内力场,当这个内力场足以和外力相平衡时,变形不再继续,物体达到稳定平衡状态,若内力场不能和外力相平衡,物体将进一步变形从而寻求产生更大的内力场,此时由惯性参照系向材料提供可被度量的作用力,以阻止其进一步变形,根据载荷平衡原理,将能够精确计算得出材料的内力平衡状况。试验之初,外部施载物体4051经刚性载荷叠加器402向受试材料416施加外部试验载荷405,受试材料416发生变形,其内部将产生抵抗受试材料416进一步变形的材料内力404,该材料内力404将随外力405的增大而增大。测量过程中受试材料416在当前测量状态下所能够产生的最大内力404若大于外部试验载荷405,受试材料416的变形将不再继续,其产生的内力404与所受外部试验载荷405达到稳定平衡状态；若受试材料416所能够产生的最大材料内力404小于外部试验载荷405,受试材料416将进一步变形或产生进一步变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡力作用,其也将产生位移或产生位移的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；该系统平衡力406及406`…分别由刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的承载单元4011承载,且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员通过系统平衡力406及406`…的力值或力值变化能够对受试材料416的内力平衡状况实现精确测量,结合系统平衡力406及406`…的量值和位置参数,该装置还能够精确计算出该受试材料416内力的变化值。
对于测量中无法避免的测量系统附加载荷以及系统摩擦力,其将可以被视为第一、第二个载荷的一个分量参与系统平衡,因此本实施例将测量系统附加载荷和系统摩擦力对测量的影响也纳入了平衡测量的范围,从而将进一步减小系统不确定度对测量结果产生的影响。
图4a显示的是材料轴力平衡测量装置或测量传感器的示意图,外部施载物体经刚性载荷叠加器402沿受试材料416的轴线向受试材料416施加轴向拉伸或轴向压缩力405,受试材料416内部将沿其轴线产生抵抗受试材料416进一步变形的材料内力—轴力404,所述轴向拉伸或轴向压缩力405被刚性载荷叠加器402的第一处承载部位Ⅰ的承载单元4011所承载,所述受试材料416的轴力404被刚性载荷叠加器402的第二处承载部位Ⅱ的承载单元4011所承载。试验中,当受试材料所能够产生的最大轴力404小于轴向拉伸或轴向压缩力405时,受试材料416自身将沿其轴向产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡共线力作用,其也将产生位移或产生位移的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402第三处承载部位Ⅲ提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；该系统平衡力406及406`…分别由刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的承载单元4011承载,且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据共线力系平衡的充要条件,系统平衡力406及406`…的主矢、受试材料416的轴力404以及轴向拉伸或轴向压缩力405三者的代数和等于零,本领域技术人员通过系统平衡力406及406`…的量值变化和位置参数,能够精确测定受试材料416的轴力404与轴向拉伸或轴向压缩力405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416的轴力404的变化。参照本发明第十三个实施方式中所详细描述的反向且共线力平衡测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,按图示位置进行测量,则会更有利于分析和计算。
图4b显示的是材料剪力平衡测量装置或测量传感器的示意图,外部施载物体经刚性载荷叠加器402向受试材料416施加剪切力405,受试材料416内部剪切截面上将产生抵抗受试材料416进一步变形的材料内力—剪力404,所述剪切力405被刚性载荷叠加器402的第一处承载部位Ⅰ的承载单元4011所承载,所述受试材料416的剪力404被刚性载荷叠加器402的第二处承载部位Ⅱ的承载单元4011所承载,且剪切力405与剪力404共面。试验中,当受试材料416所能够产生的最大剪力404小于剪切力405时,受试材料416将产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡平行力作用,其也将产生位移或产生位移的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402第三处承载部位Ⅲ提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；该系统平衡力406及406`…分别由刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的承载单元4011承载,且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员利用系统平衡力406及406`…的量值变化和位置参数,能够精确测定受试材料416的剪力404与剪切力405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416剪力404的变化。参照本发明第十三个实施方式中所详细描述的力系简化调整方法,对刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的各承载单元4011的承载位置和承载接触面的角度以及系统平衡力的施载角度进行简化调整,使系统平衡力406如图中所示布置于剪切力405和剪力404合力的作用线上,将能够保证剪切力405、剪力404以及系统平衡力406在力的作用面上力偶矩的代数和等于零,将有利于简化分析和计算。
图4c显示的是受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的示意图,外部施载物体经刚性载荷叠加器402沿受试材料416的弯曲轴所在的平面向受试材料416施加外力偶405,其对受试材料416的作用效果是外力偶矩M405,受试材料416在外力偶矩M405作用下其内部将产生抵抗受试材料416进一步弯曲变形的材料内力偶矩M404,所述外力偶矩M405被刚性载荷叠加器402的第一处承载部位Ⅰ的承载单元4011所承载,所述受试材料416的内力偶矩M404被刚性载荷叠加器402的第二处承载部位Ⅱ的承载单元4011所承载,且外力偶矩M405与内力偶矩M404共面。试验中,当受试材料所能够产生抵抗弯曲变形的最大内力偶矩M404小于外力偶矩M405时,受试材料416将产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡平面力偶矩作用,其也将产生转动或产生转动的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；该系统平衡力406及406`…分别由刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的承载单元4011承载,且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据平面力偶系平衡的必要与充分条件,本领域技术人员利用系统平衡力406的量值变化和位置参数,能够精确测定受弯材料416的内力偶矩404与外力偶矩405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416的内力偶矩404的变化。参照本发明第十三个实施方式中所详细描述的力系简化调整方法,对刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的各承载单元4011的承载位置和承载接触面的角度以及系统平衡力的施载角度进行简化调整,使惯性参照系401所提供的系统平衡力406构成的力矩如图所示的布置于外力偶矩405和内力偶矩404所在的平面内,则会更有利于分析和计算；附图中还显示了由单一分量系统平衡力406``使刚性载荷叠加器402平衡的实例,根据力线平移定理,单一分量系统平衡力406``能够向刚性受试材料416的固定端平行移动,系统平衡力406``对受试材料416的作用效果将被简化为M406``和R406``。调整外力偶矩405及系统平衡力406``的量值,使R406``对受试材料416的作用效果在平衡计算中达到可以忽略的地步,其作用将与向受试材料416提供一个外力偶矩M406的作用等效,将更便于简化测量操作。
图4d显示的是受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的示意图,外部施载物体经刚性载荷叠加器402沿垂直于受试材料416扭转轴的平面向受试材料416施加外力偶405,其对受试材料416的作用效果是外力偶矩M405,受试材料416在外力偶矩M405作用下其内部将产生抵抗受试材料416进一步扭曲变形的材料内力偶矩M404,所述外力偶矩M405被刚性载荷叠加器402的第一处承载部位Ⅰ的承载单元4011所承载,所述受试材料416的内力偶矩M404被刚性载荷叠加器402的第二处承载部位Ⅱ的承载单元4011所承载,且外力偶矩M405所在的平面和内力偶矩404所在的平面均垂直于受试材料416的扭转轴。试验中,当受试材料所能够产生抵抗扭曲变形的最大内力偶矩M404小于外力偶矩M405时,受试材料416将产生变形或产生变形的趋势,刚性载荷叠加器402因受到不平衡空间力偶矩作用,其也将产生转动或产生转动的趋势,为使刚性载荷叠加器402受力平衡,使受试材料416的变形不再继续,由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ提供一个或多个单一分量的系统平衡力406及406`…,以阻止刚性载荷叠加器402产生位移,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406及406`…对受试材料416的作用效果相叠加；该系统平衡力406及406`…分别由刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的承载单元4011承载,且系统平衡力406及406`…的力值或力值变化将被力敏元件403及403`…所测量。根据空间力偶系平衡的必要与充分条件,本领域技术人员利用系统平衡力406及406`…的量值变化和位置参数,能够精确测定受试材料416的内力偶矩404与外力偶矩405的平衡状况；并能够精确测定受试材料416的内力偶矩404的变化。参照本发明第十三个实施方式中所详细描述的力系简化调整方法,对刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ的各承载单元4011的承载位置和承载接触面的角度以及系统平衡力的施载角度进行简化调整,使惯性参照系401所提供的系统平衡力406构成的力矩如图所示的布置于外力偶矩405和内力偶矩404所在的平面内,则会更有利于分析和计算。附图中还显示了由单一分量系统平衡力406``使刚性载荷叠加器402平衡的实例,根据力线平移定理,单一分量系统平衡力406``能够向刚性受试材料416的扭转轴平行移动,系统平衡力406``对受试材料416的作用效果将被简化为M406``和R406``。调整外力偶矩405及系统平衡力406``的量值,使R406``对受试材料416的作用效果在平衡计算中达到可以忽略的地步,其作用将与向受试材料416提供一个外力偶矩M406的作用等效,将更便于简化测量操作。
实际测量中,刚性载荷叠加器还将承载更多的载荷,例如空气浮力以及保持测量初始平衡的载荷等,如何消除或修正其对测量结果的影响,已被本领域技术人员所公知,不属于本公开所保护的范围,故本公开未对其进行详细说明。
该装置应用本发明所公开的载荷平衡测量装置或测量传感器,将提供用于高度精确和灵敏的测量受试材料内力与外部载荷的平衡状况的装置,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有全载荷、高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有同类测量无法对材料内力平衡实现精确测量的技术难题；由其派生的材料力学性能测量装置还将在一定程度上解决诸如材料内力测量、材料内力松弛测量、材料杨氏模量测量以及材料变形与材料内力单值函数关系测定等测量领域所遇到的技术难题,尤其是所公布的材料内力测量装置还将首次对材料轴力、受弯材料内力偶矩以及受扭材料内力偶矩实现精确测量,根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料力学性能测量装置的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据,期望该装置能够在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发以及新材料研制过程中得到广泛的应用,期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置、新型力学测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十二个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在材料轴力测量中的应用,请参阅图4a,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于轴向拉伸或轴向压缩力405包括标准载荷,实际测量中轴向拉伸或轴向压缩力405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够实现对材料轴力的精确测量。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,将首次实现对材料轴力的精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性；根据本发明制作的装置期望能够成为现有力学性能测量的补充,为材料力学、弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发和新材料研制过程中得到广泛的应用,能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十三个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在材料剪力测量中的应用,请参阅图4b,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于剪切力405包括标准载荷,实际测量中剪切力405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够实现对材料剪力的精确测量。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,将首次实现对材料剪力的精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性；根据本发明制作的装置期望能够成为现有力学性能测量的补充,为材料力学、弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发和新材料研制过程中得到广泛的应用,能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十四个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在受弯材料内力偶矩测量中的应用,请参阅图4c,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于外力偶矩405包括标准载荷,实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够实现对受弯材料内力偶矩404的精确测定。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,将首次实现对受弯材料内力偶矩的精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性；根据本发明制作的装置期望能够成为现有力学性能测量的补充,为材料力学、弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发和新材料研制过程中得到广泛的应用,能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十五个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在受扭材料内力偶矩测量中的应用,请参阅图4d,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于外力偶矩405包括标准载荷,实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,该装置能够实现对受扭材料内力偶矩的精确测定。
该测量充分利用现有检测装置小量程、高精度的测量特性,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,将首次实现对受扭材料内力偶矩的精确测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性；根据本发明制作的装置期望能够成为现有力学性能测量的补充,为材料力学、弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够在材料力学性能测定、高精度测力传感器的研发和新材料研制过程中得到广泛的应用,能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十六个实施方式,一种材料弹性模量测定装置或材料轴力与材料轴向变形的测量装置或测量传感器,请参阅图4e,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于刚性载荷叠加器402将轴向拉伸或轴向压缩力405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在轴向拉伸或轴向压缩力405作用下已产生可被度量的轴向变形δ,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙δ；且轴向拉伸或轴向压缩力405包括标准载荷,参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生轴向变形δ时系统平衡力406及406`…的量值,根据共线力系平衡的充要条件,受试材料416的材料轴力404+轴向拉伸或轴向压缩力405+系统平衡力406＝0,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生轴向变形δ时其所对应的材料轴力404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416的轴向变形δ和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器,请参阅图4a,其中轴向拉伸或轴向压缩力405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416轴向变形状况,根据共线力系平衡的充要条件,受试材料416的材料轴力404+轴向拉伸或轴向压缩力405+系统平衡力406＝0,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416轴向变形δ与其轴力404的对应关系实现精确测量。实际测量中轴向拉伸或轴向压缩力405选用可调整的标准载荷将能够提高测量效率。根据材料杨氏模量公式E＝(F/S)/(dL/L),其中F＝材料轴力404＝轴向拉伸或轴向压缩力405—系统平衡力406、dL＝轴向变形δ、S＝原始截面积、L＝原始长度,试验前精确测量受试材料416的原始长度以及原始截面积,将能够精确测定材料杨氏模量；另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料轴力与材料轴向变形的单值函数关系实现精确标定。
该装置依据材料弹性假设和材料杨氏模量定义,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,用试验的方法对材料杨氏模量以及材料产生轴向变形时所对应的材料轴力实现精确测定,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服以往杨氏模量试验中试件断后伸长量的测量和引伸计标距引起的不确定度对测量结果造成的影响；其还将在一定程度上解决用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及精确测量材料轴力与材料轴向变形的单值函数关系的技术难题；根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料杨氏弹性模量测定以及材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用,期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十七个实施方式,一种材料抗剪性能测定装置或材料剪力与材料受剪变形的测量装置或测量传感器,请参阅图4f,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,刚性载荷叠加器402将剪切力405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在剪切力405作用下已产生可被度量的剪切变形δ,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙δ；且剪切力405包括标准载荷,参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生剪切变形δ时系统平衡力406及406`…的量值,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生剪切变形δ时,其所对应的材料剪力404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416的剪切变形和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器,请参阅图4b,其中剪切力405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416剪切变形状况,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416剪切变形δ与其剪力404的对应关系实现精确测量。实际测量中剪切力405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料剪力与材料剪切变形的单值函数关系实现精确标定。
利用该装置能够对材料产生剪切变形时所对应的剪力实现精确测量,继而能够对材料剪力与材料剪切变形的单值函数关系实现精确标定。该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及无法精确测定材料剪力与材料剪切变形单值函数关系的技术难题；根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用,期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十八个实施方式,一种材料抗弯性能测定装置或受弯材料内力偶矩与材料受弯变形的测量装置或测量传感器,请参阅图4g,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,刚性载荷叠加器402将外力偶矩405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在外力偶矩405作用下已产生可被度量的弯曲变形δ,即试验之初在系统平衡力406、406`的施载面与刚性载荷叠加器402的承载面之间保留一定可被度量的间隙δ；且外力偶矩405包括标准载荷,参照本发明二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生弯曲变形δ时系统平衡力406及406`…的量值,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生弯曲变形δ时,其所对应的受弯材料内力偶矩404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416变形和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,请参阅图4c,其中,外力偶矩405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416弯曲变形状况,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416弯曲变形δ与受弯材料内力偶矩404的对应关系实现精确测量。实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料抗弯内力偶矩与材料弯曲变形的单值函数关系实现精确标定。
利用该装置能够对材料产生弯曲变形时所对应的所述内力偶矩实现精确测量,继而能够对材料抗弯内力偶矩与材料弯曲变形的单值函数关系实现精确标定。该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及无法精确测定受弯材料内力偶矩与材料受弯变形单值函数关系的技术难题。根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用；期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第二十九个实施方式,一种材料抗扭性能测定装置或受扭材料内力偶矩与材料受扭变形的测量装置或测量传感器,请参阅图4h,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,刚性载荷叠加器402将外力偶矩405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加之前,受试材料416在外力偶矩405作用下已产生一定角度的扭转变形α,该受扭变形的角度α能够被测量；且外力偶矩405包括标准载荷,参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,力敏元件403将能够精确测量受试材料416产生扭转变形α时系统平衡力406及406`…的量值,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够精确测量受试材料416产生扭转变形α时,其所对应的受扭材料内力偶矩404的量值。若应用本发明所公开的利用弹性测力传感器测量直线位移的方法测量受试材料416变形和系统平衡力406,则本实施方式还将可以有多种拓展实例,例如,本实施例将包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,请参阅图4d,其中,外力偶矩405包括标准载荷,力敏元件403包括弹性测力传感器,该弹性测力传感器受力与变形具有单值函数关系,按照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤和力系的简化方法实施测量,该弹性测力传感器将能够实时的精确测量系统平衡力406及406`…量值以及受试材料416扭曲变形状况,根据力系平衡的充要条件,本领域技术人员运用该装置将能够对受试材料416扭曲变形α与受扭材料内力偶矩404的对应关系实现精确测量。实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。另据弹性假设描述,弹性体的变形与载荷在整个加卸载过程中存在一一对应单值函数关系,因此利用该装置能够用实验的方法准确验证弹性假设的正确性,继而能够对材料抗扭内力偶矩与材料扭曲变形的单值函数关系实现精确标定。
利用该装置能够对材料产生扭曲变形时所对应的所述内力偶矩实现精确测量,继而能够对材料抗扭内力偶矩与材料扭曲变形的单值函数关系实现精确标定。该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术难于用试验的方法对弹性假设正确性加以验证以及无法精确测定受扭材料内力偶矩与材料受扭变形单值函数关系的技术难题。根据本发明制作的装置期望能够成为现有材料应力应变测量的补充,为材料力学以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置能够为建立材料内力与变形间单值函数关系提供准确、可靠的测量依据；期望在材料力学性能测定、新材料研制、全量程测力称重传感器以及位移传感器的研发与标定中得到广泛的应用；期望能够为材料力学性能试验机、力学计量校准设备、新型极限力值标准机、标准测力仪、专用测量装置以及高精度、全量程测力称重传感器的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在材料轴力松弛测量中的应用,请参阅图4a,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,力敏元件403为非弹性力敏元件,且轴向拉伸或轴向压缩力405包括标准载荷,实际测量中轴向拉伸或轴向压缩力405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料轴力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,将外部施载物体沿受试材料416的轴线经刚性载荷叠加器402向受试材料416轴向施加标准载荷405,对受试材料416在正常环境或极端环境下进行轴力松弛试验,据《金属材料拉伸应力松弛试验方法》GB/T10120—2013描述,恒温条件下受试材料416受恒定载荷作用,受试材料416将出现轴力松弛现象,受试材料416的内力将会减小,其将产生拉伸或压缩变形的趋势,此时由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供系统平衡力406,以阻止受试材料416产生进一步变形,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406对受试材料416的作用效果相叠加,且系统平衡力406的力值或力值变化将被力敏元件403所测量,根据共线力系平衡的充要条件,系统平衡力406的主矢、轴力404以及轴向拉伸或轴向压缩力405三者的代数和等于零,该装置通过系统平衡力406的力值或力值变化能够对受试材料416的轴力404的松弛现象实现精确测量。由于该类松弛试验大多是在极端试验环境下进行,可以采取一些阻断措施减少试验环境对测量的影响,也可将惯性参照系401、力敏元件403以及刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ设置于远离试验环境的一端进行测试。
该装置依据材料应力松弛试验定义,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,从材料内力的视角,提出一种精确测量材料轴力松弛的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,该装置还在一定程度上能够克服极端试验环境对测量结果的影响,根据本发明制作的装置期望能够成为现有应力松弛试验的补充,为材料内力松弛、材料蠕变以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置在材料力学性能测定、新材料研制、极端条件下材料的力学性能测试以及极端条件下结构完整性评价中得到广泛应用。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十一个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在材料剪力松弛测量中的应用,请参阅图4b,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,力敏元件403为非弹性力敏元件,且剪切力405包括标准载荷,实际测量中剪切力405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的材料剪力平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,将外部施载物体经刚性载荷叠加器402向受试材料416施加剪切力405,对受试材料416在正常环境或极端环境下进行剪力松弛试验,据《金属材料拉伸应力松弛试验方法》GB/T10120—2013描述,恒温条件下受试材料416受恒定载荷作用,受试材料416将出现剪力松弛现象,受试材料416的内力将会减小,其将产生剪切变形的趋势,此时由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供系统平衡力406,以阻止受试材料416产生进一步变形,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406对受试材料416的作用效果相叠加,且系统平衡力406的力值或力值变化将被力敏元件403所测量,根据平面平行力系平衡的充要条件,力系的主矢和主矩的代数和均为零,该装置通过系统平衡力406的力值或力值变化能够对受试材料416的剪力404的松弛现象实现精确测量。由于该类松弛试验大多是在极端试验环境下进行,可以采取一些阻断措施减少试验环境对测量的影响,也可将惯性参照系401、力敏元件403以及刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ设置于远离试验环境的一端进行测试。
该装置依据材料应力松弛试验定义,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,从材料内力的视角,提出一种精确测量材料剪力松弛的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,该装置还在一定程度上能够克服极端试验环境对测量结果的影响,根据本发明制作的装置期望能够成为现有应力松弛试验的补充,为材料内力松弛、材料蠕变以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置在材料力学性能测定、新材料研制、极端条件下材料的力学性能测试以及极端条件下结构完整性评价中得到广泛应用。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十二个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在受弯材料内力偶矩松弛测量中的应用,请参阅图4c,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,力敏元件403为非弹性力敏元件,且外力偶矩405包括标准载荷,实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受弯材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,将外部施载物体经刚性载荷叠加器402沿受试材料416的弯曲轴所在的平面向受试材料416施加外力偶矩405,对受试材料416在正常环境或极端环境下进行受弯材料内力偶矩松弛试验,据《金属材料拉伸应力松弛试验方法》GB/T10120—2013描述,恒温条件下受试材料416受恒定载荷作用,受试材料416将出现受弯材料内力偶矩松弛现象,受试材料416的内力将会减小,其将产生弯曲变形的趋势,此时由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供由系统平衡力406、406`构成的力偶矩,以阻止受试材料416产生进一步变形,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加,且系统平衡力406、406`的力值或力值变化将被力敏元件403所测量,根据平面力偶系平衡的必要与充分条件,各力偶矩的代数和为零,该装置通过系统平衡力406、406`的力值或力值变化能够对受试材料416的内力偶矩404(弯矩)的松弛现象实现精确测量。由于该类松弛试验大多是在极端试验环境下进行,可以采取一些阻断措施减少试验环境对测量的影响,也可将惯性参照系401、力敏元件403以及刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ设置于远离试验环境的一端进行测试。
该装置依据材料应力松弛试验定义,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,从材料内力的视角,提出一种精确测量受弯材料内力偶矩松弛的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,该装置还在一定程度上能够克服极端试验环境对测量结果的影响,根据本发明制作的装置期望能够成为现有应力松弛试验的补充,为材料内力松弛、材料蠕变以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置在材料力学性能测定、新材料研制、极端条件下材料的力学性能测试以及极端条件下结构完整性评价中得到广泛应用。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十三个实施方式,材料内力平衡测量装置或测量传感器在受扭材料内力偶矩松弛测量中的应用,请参阅图4d,该装置包括本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于,力敏元件403为非弹性力敏元件,且外力偶矩405包括标准载荷,实际测量中外力偶矩405选用可调整的标准载荷则能够提高测量效率。参照本发明第二十一个实施方式中所详细描述的受扭材料内力偶矩平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,将外部施载物体经刚性载荷叠加器402沿垂直于受试材料416扭转轴的平面向受试材料416施加外力偶矩405,对受试材料416在正常环境或极端环境下进行受扭材料内力偶矩松弛试验,据《金属材料拉伸应力松弛试验方法》GB/T10120—2013描述,恒温条件下受试材料416受恒定载荷作用,受试材料416将出现受扭材料内力偶矩松弛现象,受试材料416的内力将会减小,其将产生扭曲变形的趋势,此时由惯性参照系401向刚性载荷叠加器402提供由系统平衡力406、406`构成的力偶矩,以阻止受试材料416产生进一步变形,即刚性载荷叠加器402将外部试验载荷405对受试材料416的作用效果与惯性参照系401提供的系统平衡力406、406`对受试材料416的作用效果相叠加,且系统平衡力406、406`的力值或力值变化将被力敏元件403所测量,根据空间力偶系平衡的必要与充分条件,其合力偶矩矢等于零,该装置通过系统平衡力406、406`的力值或力值变化能够对受试材料416的内力偶矩404(扭矩)的松弛现象实现精确测量。由于该类松弛试验大多是在极端试验环境下进行,可以采取一些阻断措施减少试验环境对测量的影响,也可将惯性参照系401、力敏元件403以及刚性载荷叠加器402的第三处承载部位Ⅲ设置于远离试验环境的一端进行测试。
该装置依据材料应力松弛试验定义,应用本发明所公开的材料内力平衡测量装置或测量传感器,从材料内力的视角,提出一种精确测量受扭材料内力偶矩松弛的方法,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高精度以及高分辨率的测量特性,该装置还在一定程度上能够克服极端试验环境对测量结果的影响,根据本发明制作的装置期望能够成为现有应力松弛试验的补充,为材料内力松弛、材料蠕变以及弹性理论的研究提供可靠的实验验证依据；期望该装置在材料力学性能测定、新材料研制、极端条件下材料的力学性能测试以及极端条件下结构完整性评价中得到广泛应用。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十四个实施方式,一种微动测量装置或测量传感器,该装置包括本发明第十三个实施方式所详细描述的载荷平衡测量装置或测量传感器,其不同之处在于力敏元件203包括弹性力敏元件,且弹性力敏元件203串接于惯性参照系201与刚性载荷叠加器202之间,用于感知并测定惯性参照系201和刚性载荷叠加器202之间的距离及距离变化,图2a、图2b显示的是直线位移测量装置的示意图,图2c显示的是平面平移测量装置的示意图,图2d、图2e显示的是平面内无回转轴的角位移测量装置的示意图,图2f、图2g及图2h显示的是平面微动测量装置的示意图,图2i、图2j显示的是平面内有固定回转中心的角位移测量装置的示意图,图2k、图2l则显示的是空间内微动测量装置的示意图。
对于测量中无法避免的测量系统附加载荷以及系统摩擦力,其将可以被视为第一、第二个载荷的一个分量参与系统平衡,因此本实施例将测量系统附加载荷和系统摩擦力对测量的影响也纳入了平衡测量的范围,从而将进一步减小系统不确定度对测量结果产生的影响。
试验中第一个施载物体2051与第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202作用效果的任何变动都将改变刚性载荷叠加器202的运动状态,其将引起刚性载荷叠加器202与惯性参照系201之间的间距发生变化,从而使串接于惯性参照系201与刚性载荷叠加器202之间的弹性力敏元件203受到拉伸或挤压产生弹性变形,弹性力敏元件203在受力方向上的边界变形量与刚性载荷叠加器202的位移变化量以及施载物体的位移变化量相等。在图中显示的布置中,刚性载荷叠加器202在施载物体作用下自身产生微动,其还包括连接于微动部件实施的测量,参照本发明第十三个实施方式所详细描述的载荷平衡测量装置或测量传感器的测量步骤以及力系的简化方法,使弹性力敏元件203的测量轴线与刚性载荷叠加器202的运动轴线重合,如图中所示,则会提高测量的准确度。另据本发明所公布的材料内力与材料受力变形的标定方法所测定的材料受力与变形的对应关系,便能够通过系统平衡力206的量值及量值变化,准确的测定出刚性载荷叠加器202的位移及位移变化量。
实际测量中,刚性载荷叠加器还将承载更多的载荷,例如空气浮力以及保持测量初始平衡的载荷等,如何消除或修正其对测量结果的影响,已被本领域技术人员所公知,不属于本公开所保护的范围,故本公开未对其进行详细说明。
该装置依据弹性力敏元件受力与变形具有单值函数关系的特性,应用本发明所公布的载荷平衡测量装置或测量传感器,采用接触式测量方式,将提供用于高度精确和灵敏的测量微位移的装置,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量的特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术无法对微动实现高精度、高分辨率测量的技术难题；由其派生的微动控制装置和精确定位、控制装置还将在一定程度上解决诸如精确定位控制等测量控制领域的技术难题；根据本发明制作的装置期望能够成为现有微位移测量控制技术的补充,在精密机械加工以及装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为微动测量机构、微动控制机构以及精确定位机构的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十五个实施方式,弹性测力传感器在直线位移测量中的应用,该装置包括本发明第三十四个实施方式所详细描述的微动测量装置或测量传感器,其不同之处在于刚性载荷叠加器302包括产生直线位移的受测部件,力敏元件303包括基体为弹性材料的测力传感器—弹性测力传感器,且弹性测力传感器303串接于惯性参照系301与受测部件302之间,用于感知并测定惯性参照系301和受测部件302之间的距离及距离变化。将本发明第三十四个实施方式中所详细描述的直线位移测量装置进一步变形,使之成为图3b所示的测量形式,于是产生了弹性测力传感器在直线位移测量中的应用实例,试验中,受测部件302在其内部载荷作用下产生直线位移,其将改变与惯性参照系301之间的间距,从而使串接于惯性参照系301与受测部件302之间的弹性测力传感器303受到拉伸或挤压产生弹性变形,弹性测力传感器303在受力方向上的边界变形量与受测部件302的位移变化量相等。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的直线位移测量装置的测量步骤以及力系的简化方法,使弹性测力传感器303的测量轴线与受测部件302的运动轴线重合,如图中所示,则会提高测量的准确度。另据本发明所公布的材料内力与材料受力变形的标定方法所测定的材料受力与变形的对应关系,便能够通过系统平衡力306的量值及量值变化,准确的测定出受测部件302的位移及位移变化量。该测量还包括刚性载荷叠加器302连接于微动受测部件所实施的直线位移测量。
本实施方式依据弹性力敏元件受力与变形具有单值函数关系的特性,利用现有弹性测力传感器小量程、高精度的测量特性,采用接触式测量方式对受测部件的直线位移实现精确测定,其至少在一定程度上能够克服现有技术中难于对微动实施高精度、高分辨率测量的技术难题,较现有光学干涉测量以及电测法测量微位移装置具有测量简单、易于实施、高灵敏度、高分辨率的测量特点。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十六个实施方式,一种微动控制装置,该装置包括本发明第三十四个实施方式所详细描述的微动测量装置或测量传感器,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的标准载荷,请参阅图2a至2l。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205(标准载荷)与第二个载荷204(标准载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,刚性载荷叠加器202将产生运动,且该运动将被弹性力敏元件203所测定。
图2a、图2b显示的是直线位移控制装置的示意图,该装置包括本发明第三十四个实施方式中所详细描述的直线位移测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的单一分量标准作用力载荷。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的直线位移测量装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205(单一分量的标准作用力载荷)与第二个载荷204(单一分量的标准作用力载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。若第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对直线位移的控制,在此条件下若选择与第一个载荷205量值更为接近的第二个载荷204进行调整,将更有利于对直线微位移的精确控制。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的直线位移。
图2c显示的是平面位移控制装置的示意图,该装置包括本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面平移测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的单一分量标准作用力载荷。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面平移测量装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205(单一分量的标准作用力载荷)与第二个载荷204(单一分量的标准作用力载荷)的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的平面位移。
图2d、图2e显示的是平面内无回转轴的角位移控制装置的示意图,该装置包括本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面内无回转轴的角位移测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的标准力偶矩载荷。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面内无回转轴的角位移测量装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生角位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。若第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对角位移的控制,在此条件下若选择与第一个载荷205量值更为接近的第二个载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确控制。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的角位移。
图2f、图2g及图2h显示的是平面微动控制装置的示意图,该装置包括本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面微动测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的单一分量标准作用力载荷或标准力偶矩载荷。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面微动测量装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个载荷205与第二个载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202产生微动,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的平面微动。
图2i、图2j显示的是平面内有固定回转中心的角位移控制装置的示意图,该装置包括本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面内有固定回转中心的角位移测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的标准转矩载荷。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述的平面内有固定回转中心的角位移测量装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,致使刚性载荷叠加器202绕回转中心O产生角位移,且该位移被所述弹性力敏元件203测定。若第一个载荷205与第二个载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对有固定回转中心的角位移控制,在此条件下若选择与第一个载荷205量值更为接近的第二个载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确控制。该装置能够精确控制刚性载荷叠加器202的角位移。
图2k、图2l显示的是空间内微动控制装置的示意图,该装置包括本发明第三十四个实施方式中所详细描述的空间内微动测量装置,其不同之处在于第一个施载物体2051对所述刚性载荷叠加器202的作用效果(第一个载荷205)和第二个施载物体2041对刚性载荷叠加器202的作用效果(第二个载荷204)包括可调整的单一分量标准作用力载荷或标准力偶矩载荷。参照本发明第三十四个实施方式中所详细描述空间内微动测量装置或测量传感器的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,从而实现对刚性载荷叠加器202以及与其固定连接部件在平面内或空间内微动的控制。
该装置利用载荷平衡原理,应用本发明所公布的载荷平衡测量装置或测量传感器,采用无间隙控制方式,对微动实现精确控制和测量,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量控制的特性,其至少在一定程度上能够克服现有微位移系统的不确定性对微动控制造成影响的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有微动控制机构的补充,在精密机械加工以及装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为微动测量机构、微动控制机构以及精确定位机构的研发提供一条全新的设计思路。
根据本发明的载荷平衡测量的第三十七个实施方式,一种精确定位控制装置,该装置包括本发明第三十六个实施方式所详细描述的微动控制装置,其不同之处在于:预先设定刚性载荷叠加器202处于最终位置时弹性力敏元件203的受力状况。根据本发明所公开的材料内力与材料受力变形的标定方法所测定的材料受力与变形的对应关系,能够通过弹性力敏元件203的受力状况判断刚性载荷叠加器202所处的位置与设定位置的偏差。参照本发明第三十六个实施方式所详细描述的微动控制装置的测量步骤、力系的简化以及弹性力敏元件203的设置方法,控制、调整第一个标准载荷205与第二个标准载荷204的量值,或对二者的量值分别调整,使弹性力敏元件203的受力状况达到预先设定值,从而实现刚性载荷叠加器202精确定位的目的。图2a、图2b显示的是直线位移定位控制装置的示意图,若第一个标准载荷205与第二个标准载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对直线位移的定位控制,在此条件下若选择与第一个标准载荷205量值更为接近的第二个标准载荷204进行调整,将更有利于对直线微位移的精确定位控制。图2c显示的是平面位移定位控制装置的示意图,图2d、e显示的是无固定回转中心的角位移定位控制装置的示意图,若第一个标准载荷205与第二个标准载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对角位移的定位控制,在此条件下若选择与第一个标准载荷205量值更为接近的第二个标准载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确定位控制。图2f、图2g及图2h显示的是平面微动定位控制装置的示意图。图2i、图2j显示的是有固定回转中心的角位移定位控制装置的示意图,若第一个标准载荷205与第二个标准载荷204对刚性载荷叠加器202的作用效果互为反向,则更有利于对有固定回转中心的角位移实现定位控制,在此条件下若选择与第一个标准载荷205量值更为接近的第二个标准载荷204进行调整,将更有利于对成角度的微位移实现精确定位控制。图2k、图2l显示的是空间内微动定位控制装置的示意图。
该装置依据弹性力敏元件受力与变形具有单值函数关系的特性,应用本发明所公布的载荷平衡测量装置或测量传感器,采用无间隙控制方式,实现精确控制定位,该装置结构简单,响应迅速、分析简便且测量性能可靠,较已公知的该类技术具有高位移分辨率、高重复精度以及多维度测量控制的特性,其至少在一定程度上能够克服现有技术无法实现精确定位的技术难题,根据本发明制作的装置期望能够成为现有精确定位装置的补充,在精密机械加工以及装备总成后的性能测试中得到广泛的应用,期望该装置能够为微动测量机构、微动控制机构以及精确定位机构的研发提供一条全新的设计思路。
现在对刚性载荷叠加器102的承载单元1011的局部受力状况及其受力的简化调整做详细的说明。
请参阅图1e,本发明所述的施载物体以及惯性参照系对刚性载荷叠加器的单一分量作用力载荷112可以是以任意一个角度作用于承载单元1011,由于摩擦力的作用,其将沿承载接触面法线方向和切线方向对刚性载荷叠加器102产生112`和112``两个分量的作用效果,该施载方式虽然操作简便,但会使力系分析计算变得更为复杂。实际测量中,若对单一分量作用力载荷112的施载方向、施载位置以及承载接触面的角度加以控制,使单一分量作用力载荷112沿承载接触面法线方向作用于承载单元1011,单一分量作用力载荷112将仍以一个分量R112的作用效果作用于刚性载荷叠加器102,如图1f,其将有利于掌握载荷的位置参数,将对在后叙述的载荷平衡和载荷对比等测量起到简化分析、计算的作用。
请参阅图1g,施载物体对刚性载荷叠加器102的作用效果—单一分量作用力F106或作用效果的主矢R106`,其使刚性载荷叠加器102产生移动或移动的趋势,为使刚性载荷叠加器102受力平衡,由惯性参照系101向刚性载荷叠加器102第三处承载部位Ⅲ的承载单元1011提供系统平衡力106`及106``…,系统平衡力106`及106``…的主矢R106与前述单一分量作用力F106或作用效果的主矢R106`对刚性载荷叠加器102的作用效果相平衡。该平衡方法简便易行,但不利于分析计算。实际测量中若对刚性载荷叠加器102各承载接触面的承载角度以及单一分量系统平衡力的施载位置和角度进行简化调整,使惯性参照系101提供的单一分量的系统平衡力106沿承载接触面法线方向作用于承载单元1011,且其与前述单一分量作用力F106或作用效果的主矢R106`共线,如图1h,将会更有利于简化、分析和计算。
本说明书所阐述的内容是结合具体的优选实施方式对本发明的进一步详细说明,但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围,依据本发明随附的权利要求书所列的保护范围,本发明所描述的各实施方式可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中,应用于更多的利用平衡原理进行测量的技术领域,例如将本发明提供的载荷发生或载荷变化控制装置应用于由微动测量装置实施监测的微动控制装置便能够形成闭环伺服系统。对于本发明所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,所做出的等效实施或替换以及各种形式的组合,都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (52)

1.一种载荷平衡测量方法,其包括:
a采用刚性载荷叠加器,一种叠加和传递载荷对其作用效果的刚体或非绝对刚体,其为具体零部件或受力部件本身；
b第一个载荷,包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的对所述刚性载荷叠加器具有单一分量或多分量作用效果的任意载荷,其还包括由多个前述载荷共同作用的等效载荷；
c第二个载荷,包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的对所述刚性载荷叠加器具有单一分量或多分量作用效果的任意载荷,其还包括由多个前述载荷共同作用的等效载荷；
d惯性参照系,测量中选取的参考系,其使得所述刚性载荷叠加器相对于其保持静止；
e系统平衡力,由所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供,使所述刚性载荷叠加器相对于其保持静止的一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的作用力；
f力敏元件,对力敏感的弹性或非弹性元件,其采用接触或非接触方式测量单一分量作用力的正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化；
其中:所述第一个载荷、所述第二个载荷以及所述系统平衡力对所述刚性载荷叠加器的作用效果被所述刚性载荷叠加器相叠加,且所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的所述系统平衡力被所述力敏元件测量。
2.根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括共线的作用力。
3.根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括同一平面内的两个力偶矩载荷。
4.根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中所述刚性载荷叠加器具有固定的回转中心,且所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括同一回转平面内的两个转矩载荷。
5.根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括同一平面内两个任意载荷。
6.根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括空间内两个任意载荷。
7.根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括空间内两个相互平衡的载荷。
8.一种载荷相对变化的测量方法,其包括:采用根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的载荷平衡测量方法,其中,所述第一个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果反向。
9.一种载荷叠加测量方法,其包括:采用根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的载荷平衡测量方法,其中所述第二个载荷包括与所述第一个载荷同向的载荷。
10.一种载荷发生或载荷变化控制方法,其包括:采用根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的载荷平衡测量方法,其中所述第一个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括可调整且互为反向的标准载荷,调整所述第一个标准载荷与所述第二个标准载荷的量值,或对二者的量值分别调整,所述刚性载荷叠加器与所述惯性参照系之间将获得新量值的载荷,且所述新量值的载荷将被所述力敏元件测量。
11.一种材料内力平衡或材料内力变化的测量方法,其包括:采用根据权利要求1所述的载荷平衡测量方法,其中,
a所述第二个载荷为受试材料的内力,该材料内力包括材料轴力、材料剪力、材料抗弯内力偶矩或材料抗扭曲内力偶矩；
b所述第一个载荷包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的单一分量或多分量的外部载荷,所述外部载荷使所述受试材料产生所述内力；
c所述系统平衡力包括由所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供阻止受试材料进一步变形的一个或多个单一分量的正向、负向亦或是正负两个方向的作用力；
其中:所述刚性载荷叠加器将所述外部载荷对受试材料的作用效果与所述惯性参照系提供的所述系统平衡力对受试材料的作用效果相叠加,且所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的所述系统平衡力被所述力敏元件测量。
12.一种材料弹性模量测定或材料轴力与材料轴向变形测量方法,其包括:采用根据权利要求11所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量方法,其中所述受试材料内力包括所述受试材料的轴力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述轴力的轴向拉伸或轴向压缩力,且所述轴向拉伸或轴向压缩力包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述外部载荷作用下产生可被度量的材料轴力和可被度量的轴向变形。
13.一种材料抗剪性能测定或材料剪力与材料受剪变形测量方法,其包括:采用根据权利要求11所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量方法,其中所述受试材料内力包括所述受试材料的剪力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述剪力的剪切力,且所述剪切力包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述外部载荷作用下产生可被度量的材料剪力和可被度量的剪切变形。
14.一种材料抗弯性能测定或受弯材料内力偶矩与材料受弯变形的测量方法,其包括:采用根据权利要求11所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量方法,其中所述受试材料内力包括受弯材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述外部载荷作用下产生可被度量的受弯材料内力偶矩和可被度量的弯曲变形。
15.一种材料抗扭性能测定或受扭材料内力偶矩与材料受扭变形的测量方法,其包括:采用根据权利要求11所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量方法,其中所述受试材料内力包括受扭材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述外力偶矩作用下产生可被度量的受扭材料内力偶矩和可被度量的扭曲变形。
16.一种微动测量方法,其包括:采用根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的载荷平衡测量方法,其中所述力敏元件包括弹性力敏元件,其串接于所述惯性参照系与所述刚性载荷叠加器之间,测量所述惯性参照系和所述刚性载荷叠加器之间的距离及距离变化。
17.一种微动控制方法,其包括:采用根据权利要求16所述的微动测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括可调整的标准载荷,其中:调整所述第一个标准载荷与所述第二个标准载荷的量值,或对二者的量值分别调整,所述刚性载荷叠加器将产生微动,且所述微动被所述弹性力敏元件测量。
18.一种精确定位控制方法,其包括:采用根据权利要求16所述的微动测量方法,其中所述第一个载荷与所述第二个载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括可调整的标准载荷,其中:预先设定所述刚性载荷叠加器于最终位置时所述弹性力敏元件的受力状况值,定位过程中调整所述第一个标准载荷与所述第二个标准载荷的量值,或对二者的量值分别调整,使所述弹性力敏元件的受力状况达到预先设定的所述受力状况值,从而实现精确定位。
19.一种实施权利要求1所述方法的载荷平衡测量装置,该装置包括:
a刚性载荷叠加器,一种叠加和传递外部施载物体对其作用效果的刚体或非绝对刚体,其为具体零部件或受力部件本身，其包括第一处承载部位、第二处承载部位以及第三处承载部位；
所述承载部位承载所述外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果，其包括一个或多个承载单元；
所述承载单元承载所述外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的单一分量正向、负向亦或是正负两个方向的作用力；
b所述力敏元件,对力敏感的弹性或非弹性元件,其采用接触或非接触方式测量单一分量作用力的正向、负向亦或是正负两个方向的力值或力值变化；
其中：
第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果形成所述第一个载荷,其由所述刚性载荷叠加器或所述刚性载荷叠加器第一处承载部位的承载单元所承载；
第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果形成所述第二个载荷,其由所述刚性载荷叠加器或所述刚性载荷叠加器第二处承载部位的承载单元所承载；
所述惯性参照系使所述刚性载荷叠加器相对于其保持静止的作用效果形成一个或多个单一分量正向、负向亦或是正负两个方向的所述系统平衡力,所述系统平衡力由所述刚性载荷叠加器第三处承载部位的一个或多个承载单元所承载；
所述惯性参照系、所述第一个外部施载物体以及所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果被所述刚性载荷叠加器相叠加,且所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的所述系统平衡力被所述力敏元件测量。
20.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括体载荷,其由所述刚性载荷叠加器整体作为一处所述承载部位对其实施承载。
21.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括单一分量、多分量作用效果的线载荷或面载荷,其由所述刚性载荷叠加器的一处所述承载部位的一个或多个所述承载单元实施承载。
22.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体和所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果还包括多种载荷共同作用的等效作用效果。
23.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括互为共线的作用力载荷。
24.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括同一平面内的两个力偶载荷。
25.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述刚性载荷叠加器具有固定的回转中心,且所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括同一回转平面内的两个转矩载荷。
26.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括同一平面内两个任意载荷。
27.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括空间内两个任意载荷。
28.根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括空间内两个相互平衡的载荷。
29.一种载荷相对变化的测量装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中：所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果反向。
30.一种全量程载荷变化测量装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中：所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果反向，且所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果恒定。
31.一种全量程载荷量值传递测量装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中：所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果反向，所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果以及外部标准载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果由所述刚性载荷叠加器的第一处承载部位分别承载,且所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果恒定。
32.一种全量程载荷测量装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中:所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果反向，所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果是标准载荷。
33.一种微小量程载荷测量装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中:所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括微小量程载荷和测量系统附加静载荷共同作用的载荷,所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果恒定,且其与所述测量系统附加静载荷对所述刚性载荷叠加器的作用效果反向。
34.一种载荷叠加测量装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果同向。
35.一种载荷发生或载荷变化控制装置,其包括:根据权利要求19至25中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中:所述第一个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果是可调整的反向标准载荷,调整所述第一个标准载荷与所述第二个标准载荷的量值,或对二者的量值分别调整,所述刚性载荷叠加器第三处承载部位的承载单元与所述惯性参照系之间将获得新量值的载荷,且所述新量值的载荷将被所述力敏元件测量。
36.一种材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其包括:根据权利要求19所述的载荷平衡测量装置,其中：
a所述第二个外部施载物体为受试材料；
b所述刚性载荷叠加器的第二处承载部位所承载的所述第二个载荷包括受试材料的内力,该材料内力包括材料轴力、材料剪力、材料抗弯内力偶矩或材料抗扭曲内力偶矩；
c所述第一个外部施载物体向所述刚性载荷叠加器的第一处承载部位施加的所述第一个载荷包括由体载荷、线载荷或面载荷形成的单一分量或多分量的外部载荷,所述外部载荷使所述受试材料产生所述内力；
d所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器的第三处承载部位提供阻止所述受试材料进一步变形的一个或多个单一分量的所述系统平衡力；
其中:所述刚性载荷叠加器将所述外部载荷对所述受试材料的作用效果与所述惯性参照系提供的所述系统平衡力对受试材料的作用效果相叠加,且所述惯性参照系向所述刚性载荷叠加器提供的所述系统平衡力被所述力敏元件测量。
37.一种材料轴力测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括所述受试材料的轴力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述轴力的轴向拉伸或轴向压缩力,且所述轴向拉伸或轴向压缩力包括标准载荷。
38.一种材料剪力测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括所述受试材料的剪力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述剪力的剪切力,且所述剪切力包括标准载荷。
39.一种受弯材料内力偶矩测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括受弯材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷。
40.一种受扭材料内力偶矩测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括受扭材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷。
41.一种材料弹性模量测定装置或材料轴力与材料轴向变形的测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括所述受试材料的轴力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述轴力的轴向拉伸或轴向压缩力,且所述轴向拉伸或轴向压缩力包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述轴向拉伸或轴向压缩力的作用下产生可被度量的材料轴力和可被度量的轴向变形。
42.一种材料抗剪性能测定装置或材料剪力与材料受剪变形的测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括所述受试材料的剪力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述剪力的剪切力,且所述剪切力包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述剪切力作用下产生可被度量的材料剪力和可被度量的剪切变形。
43.一种材料抗弯性能测定装置或受弯材料内力偶矩与材料受弯变形的测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括受弯材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述外力偶矩作用下产生可被度量的受弯材料内力偶矩和可被度量的弯曲变形。
44.一种材料抗扭性能测定装置或受扭材料内力偶矩与材料受扭变形的测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述受试材料内力包括受扭材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷,其中:所述受试材料在所述外力偶矩作用下产生可被度量的受扭材料内力偶矩和可被度量的扭曲变形。
45.一种材料轴力松弛测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述力敏元件为非弹性力敏元件,所述受试材料内力包括所述受试材料的轴力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述轴力的轴向拉伸或轴向压缩力,且所述轴向拉伸或轴向压缩力包括标准载荷。
46.一种材料剪力松弛测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述力敏元件为非弹性力敏元件,所述受试材料内力包括所述受试材料的剪力,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述剪力的剪切力,且所述剪切力包括标准载荷。
47.一种受弯材料内力偶矩松弛测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述力敏元件为非弹性力敏元件,所述受试材料内力包括受弯材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷。
48.一种受扭材料内力偶矩松弛测量装置,其包括:根据权利要求36所述的材料内力平衡或材料内力变化的测量装置,其中所述力敏元件为非弹性力敏元件,所述受试材料内力包括受扭材料的内力偶矩,所述外部载荷包括使所述受试材料产生所述内力偶矩的外力偶矩,且所述外力偶矩包括标准载荷。
49.一种微动测量装置,其包括:根据权利要求19至28中任一项权利要求所述的载荷平衡测量装置,其中所述第一个外部施载物体、所述第二个外部施载物体或所述刚性载荷叠加器为微动部件,所述力敏元件包括弹性力敏元件,其串接于所述惯性参照系与所述刚性载荷叠加器之间,测量所述惯性参照系和所述刚性载荷叠加器之间的距离及距离变化。
50.弹性测力传感器在位移测量中的应用,其包括:采用根据权利要求49所述的微动测量装置,其中所述力敏元件包括弹性测力传感器,所述刚性载荷叠加器包括产生位移的受测部件。
51.一种微动控制装置,其包括:根据权利要求49所述的微动测量装置,其中所述第一个外部施载物体与所述第二个外部施载物体对所述刚性载荷叠加器的作用效果包括可调整的标准载荷,其中:调整所述第一个标准载荷与所述第二个标准载荷的量值,或对二者的量值分别调整,所述刚性载荷叠加器将产生微动,且所述微动将被所述弹性力敏元件测量。
52.一种精确定位控制装置,其包括:根据权利要求51所述的微动控制装置,其中:预先设定所述刚性载荷叠加器于最终位置时所述弹性力敏元件的受力状况值,定位过程中调整所述第一个标准载荷与所述第二个标准载荷的量值,或对二者的量值分别调整,使所述弹性力敏元件的受力状况达到预先设定的所述受力状况值,从而实现精确定位。
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