CN108535147A - 一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，包括测量法向接触力机构、以及测量法向位移机构；测量法向接力触机构包括固定套筒、有机玻璃圆管、若干个薄膜压力传感器以及若干个实验颗粒球；固定套筒安装于支撑板上；有机玻璃圆管安装于固定套筒上，实验颗粒球竖向叠加式放置于有机玻璃圆管中；薄膜压力传感器设于实验颗粒球与实验颗粒球的接触面上；加压机构设于支撑板上，用于向实验颗粒球加压；测量法向位移机构设于支撑板上，用于测量实验颗粒球在法向方向的位移。其能解决解决球体颗粒在冲击作用下，法向力与法向位移难以测量的问题，提高了实验的精确性，并极大地简化了实验操作。

Description

一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置

技术领域

本发明专利涉及一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，主要应用于散体颗粒运动机制的实验研究，属于教学和试验辅助设备技术领域。

背景技术

目前对于散体颗粒运动机制的理论研究还处在探索阶段，为此它是相关专业人士研究的热点。实验室中测量散体颗粒运动性质的装置有很多，以球体颗粒体系受冲击荷载为例，大多数装置只能测得球体颗粒受冲击作用时的法向接触力，却并不能测得球体颗粒受冲击作用时的法向位移。而且，实验室的装置往往只能测定单一直径球体颗粒在冲击作用下的法向接触力，实用性不强，得出的实验结果往往也不够精确。另外，对于绝大多数冲击装置而言，都是用落锤装置来做，结构复杂且操作繁琐。

如中国专利CN104422621A涉及一种热环境下动响应传递特性试验的耐高温落锤装置，其特征在于：包括安装板、锤头支座、支座连接杆、锤头；所述支座连接杆一端与所述安装板上表面可转动连接，另一端与所述锤头支座固定；所述锤头设置在所述锤头支座一端，锤头轴线与所述支座连接杆轴线垂直；还包括一端固定在所述安装板上表面的远程控制线支架，所述远程控制线支架的另一端开有支架开口；还包括一端固定在所述支座连接杆上，另一端穿过所述支架开口并继续延伸的远程控制线。

发明内容

本发明提供一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其能解决解决球体颗粒在冲击作用下，法向力、法向位移难以测量的问题，并能用于不同直径的球体颗粒的法向力、发向位移的测量，提高了实验的精确性，并极大地简化了实验操作。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，包括支撑板、加压机构、测量法向接触力机构、测量法向位移机构、以及电脑；

测量法向接力触机构包括固定套筒、有机玻璃圆管、若干个薄膜压力传感器以及若干个实验颗粒球；有机玻璃圆管安装于固定套筒上，固定套筒安装于支撑板上，若干个实验颗粒球竖向叠加式放置于有机玻璃圆管中；薄膜压力传感器设于有机玻璃圆管中，并位于实验颗粒球与实验颗粒球的接触面上；薄膜压力传感器连接于电脑；

加压机构设于支撑板上，并连接于有机玻璃圆管上，用于向有机玻璃圆管中的实验颗粒球加压；

测量法向位移机构设于支撑板上，用于测量实验颗粒球在法向方向的位移。

作为本发明改进的技术方案，有机玻璃圆管的管壁在竖向方向布设有若干个孔。

作为本发明改进的技术方案，加压机构包括供气瓶、储气室、固定支架、加载板以及活塞；供气瓶通过输气管连通于储气室，储气室连接于加载板；加载板设于固定支架的端头、活塞设于加载板的下方并同时位于有机玻璃圆管的上端；在控制供气瓶供气能实现控制加载板发生位移时，加载板带动活塞向有机玻璃圆管中的实验颗粒球加压；供气瓶与储气室均设于支撑板上。

作为本发明改进的技术方案，还包括导筒，导筒设于有机玻璃圆管的外围，加载板能沿导筒进行上下移动，并带动活塞对实验颗粒球进行加压。

作为本发明改进的技术方案，测量法向位移机构包括支架，以及安装于支架上的红外发射器、红外接收器与红外距离传感器；支架安装于支撑板上；其中，红外发射器发射的红外信号能通过有机玻璃圆管管壁上的孔；红外接收器用于接收红外发射器发射的信号；红外距离传感器用于检测实验颗粒球的法向位移。

作为本发明改进的技术方案，还包括信号转换器与数据采集系统；薄膜压力传感器依次通过信号转换器与数据采集系统连接于电脑；红外距离传感器依次通过信号转换器与数据采集系统连接于电脑。

与现有的试验装置相比，本申请装置带来的有益效果是：

1、本申请的装置能够测出实验颗粒球受冲击时的法向位移，使得散体颗粒运动机制的参数得到进一步完善。

2、本发明的有机玻璃圆管和固定套筒具有不同规格，它可以测出不同直径球体颗粒受冲击时的试验结果。

3、本发明通过调节储气室内压力的大小，可以控制气体冲击的速度，从而达到多级加载的目的。

4、实验室的冲击装置大多为落锤装置，与其相比，本发明的装置相对简单且易于操作，精度更高。

附图说明

图1 本申请测量装置的结构示意图；

图2 本申请测量装置中测量法向位移机构的结构示意图；

图3 本申请测量装置中测量法向接触力机构的结构示意图；

图中，1-供气瓶；2-气压表；3-气体阀门开关；4-输气管；5-储气室；6-控制开关；7-压力表；8-固定支架；9-无缝钢管；10-冲击传感器；11-加载板；12-活塞； 13-连接螺钉；14-固定套筒；15-有机玻璃圆管；16-支架；17-测量法向位移机构；18-导线；19-信号转换器；20-数据采集系统；21-支撑板；22-红外线发射器；23-红外线接收器；24-红外距离传感器；25-实验颗粒球；26-薄膜压力传感器；27-孔；28-导筒。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示的一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，包括支撑板21、加压机构、测量法向接触力机构、测量法向位移机构17、信号转换器19、数据采集系统20、以及电脑；

测量法向接力触机构包括固定套筒14、有机玻璃圆管15、若干个薄膜压力传感器26以及若干个实验颗粒球25；固定套筒14通过连接螺钉13安装于支撑板21上；为了方便安装，固定套筒14的内径大于有机玻璃柱的外径；有机玻璃圆管15竖向安装于固定套筒14上；固定套筒14的外径小于有机玻璃圆管15的内径，有机玻璃圆管15的下端套装于固定套筒14上；但固定套筒14的高度不影响有机玻璃圆管15中最底层的实验颗粒球25与支撑板21的接触；所述支撑板21上配置不同直径的固定套筒14，从而可以使不同直径的有机玻璃圆管15可固定于支撑板21上。

若干个实验颗粒球25竖向叠加式放置于有机玻璃圆管15中，实验颗粒球25的尺寸根据实验要求进行选择，基本保证实验颗粒球的直径与有机玻璃圆管的内径一致，有机玻璃圆管15可替换成不同内径的圆管，用于进行不同颗粒球的尺寸的实验；薄膜压力传感器26设于有机玻璃圆管15中，并位于相邻两层实验颗粒球25与实验颗粒球25的接触面上；薄膜压力传感器26通过导线连接于电脑；加压机构设于支撑板21上，用于向有机玻璃圆管15中的实验颗粒球25加压；在加压机构向实验颗粒球25进行加压时，设于实验颗粒球25与实验颗粒球25之间的薄膜压力传感器26检测各层实验颗粒球25受到的压力，各薄膜压力传感器26检测的信号传递于电脑，电脑能绘制压力信号曲线图。

为了方便检测法向位移，有机玻璃圆管15的管壁在竖向方向布设有若干个孔27。

测量法向位移机构17设于支撑板21上，用于测量实验颗粒球25在法向方向的位移。

其中，为了保证加压机构的稳定存在，加压机构包括供气瓶1、储气室5、固定支架8、加载板11以及活塞12；供气瓶1与储气室5采用输气管4依次连通，储气室5通过输气管4连通与加载板11；供气瓶1上设有气压表2与气体阀门开关3；供气瓶1通过输气管4连接于储气室5，储气室5上设有控制开关6与压力表7；储气室5通过输气管4连通于固定支架8，固定支架8的一端头采用无缝钢管9封堵；加载板11通过连接螺栓安装于固定支架8的另一端；活塞12设于加载板11的下方并同时位于有机玻璃圆管15的上端；加载板11与活塞12接触的一面设有冲击传感器10；活塞12的外径与有机玻璃圆管15的内径一致；在控制供气瓶1供气能实现控制加载板11发生位移，加载板11带动活塞12向有机玻璃圆管15中的实验颗粒球25加压。

为了保证活塞12能呈直线式沿有机玻璃圆管15下移。还包括导筒28，导筒28设于有机玻璃圆管15的外围，加载板11沿导筒28进行上下移动，带动活塞12对实验颗粒球25进行加压。

在使用过程中，调节调节储气室5内压力大小，能实现控制气体冲击的速度，以此来施加不同冲击荷载。

如图2所示，测量法向位移机构17包括支架16、红外发射器、红外接收器以及红外距离传感器24；红外发射器、红外接收器、红外距离传感器24分别安装于支架16上；支架16安装于支撑板21上；其中，红外发射器发射的红外信号能通过有机玻璃圆管15管壁上的孔27，优选的，有机玻璃圆管上的孔与实验颗粒球的中心位于同一平面上；这样能有效保证通过几何运算较为精准的求出颗粒受冲击时的法向位移；红外接收器用于接收红外发射器发射的信号；红外距离传感器24通过红外接收器接收的信号强度实现用于检测实验颗粒球25的法向位移。也可以是所述红外线发射器22、红外线接收器23以及红外距离传感器24分别通过螺钉固定在铁架上。

根据红外线传播时的不扩散原理，可测得球体颗粒体系受冲击前后，红外发射器到实验颗粒球25的距离。

作为本发明改进的技术方案，还包括信号转换器19与数据采集系统20；薄膜压力传感器26依次通过信号转换器19与数据采集系统20连接于电脑；红外距离传感器24依次通过信号转换器19与数据采集系统20连接于电脑。

本发明专利的工作原理：将测量法向位移机构17连接完毕后，调整红外线发射器22位置，使之对应有机玻璃圆管15的孔27中心；调整储气室5中的气压大小，可根据试验要求，选择荷载施加模式，分为静载和冲击荷载，试验时，首先打开加压机构的控制开关6，施加荷载。荷载通过活塞12施加于球体颗粒上，并通过薄膜压力传感器26记录接触力。红外距离传感器24记录距离，并通过转换公式将水平距离换算为实验颗粒球25法向位移。法向接触力和法向位移在电脑上以时程曲线的方式显示。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其特征在于，包括支撑板、加压机构、测量法向接触力机构、测量法向位移机构、以及电脑；

测量法向接力触机构包括固定套筒、有机玻璃圆管、若干个薄膜压力传感器以及若干个实验颗粒球；有机玻璃圆管安装于固定套筒上，固定套筒安装于支撑板上，若干个实验颗粒球竖向叠加式放置于有机玻璃圆管中；薄膜压力传感器设于有机玻璃圆管中，并位于实验颗粒球与实验颗粒球的接触面上；薄膜压力传感器连接于电脑；

加压机构设于支撑板上，并连接于有机玻璃圆管上，用于向有机玻璃圆管中的实验颗粒球加压；

测量法向位移机构设于支撑板上，用于测量实验颗粒球在法向方向的位移。

2.根据权利要求1所述的一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其特征在于，有机玻璃圆管的管壁在竖向方向布设有若干个孔。

3.根据权利要求1所述的一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其特征在于，加压机构包括供气瓶、储气室、固定支架、加载板以及活塞；供气瓶通过输气管连通于储气室，储气室连接于加载板；加载板设于固定支架的端头、活塞设于加载板的下方并同时位于有机玻璃圆管的上端；在控制供气瓶供气能实现控制加载板发生位移时，加载板带动活塞向有机玻璃圆管中的实验颗粒球加压；供气瓶与储气室均设于支撑板上。

4.根据权利要求3所述的一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其特征在于，还包括导筒，导筒设于有机玻璃圆管的外围，加载板能沿导筒进行上下移动，并带动活塞对实验颗粒球进行加压。

5.根据权利要求2所述的一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其特征在于，测量法向位移机构包括支架，以及安装于支架上的红外发射器、红外接收器与红外距离传感器；支架安装于支撑板上；其中，红外发射器发射的红外信号能通过有机玻璃圆管管壁上的孔；红外接收器用于接收红外发射器发射的信号；红外距离传感器用于检测实验颗粒球的法向位移。

6.根据权利要求5所述的一种球体颗粒体系法向接触力和法向位移的测量装置，其特征在于，还包括信号转换器与数据采集系统；薄膜压力传感器依次通过信号转换器与数据采集系统连接于电脑；红外距离传感器依次通过信号转换器与数据采集系统连接于电脑。