CN110567358A - 用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置 - Google Patents

用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置。其装置包括测量主机、辅助定位机构、标准器、被测试件和数据采集‑分析‑处理单元五部分。测量主机由基座、双悬臂梁传感器、编码丝杆和定位块组成。双悬臂梁传感器由两个间距可调的悬臂梁传感器组成。编码丝杆由三态编码器和传动丝杆组成。三态编码器由齿盘和四副悬臂梁传感器组成。数据采集‑分析‑处理单元内置测量软件。测量时，由双悬臂梁传感器夹持被测试件，双悬臂梁传感器与编码丝杆配合，向数据采集‑分析‑处理单元传输测量信号，后者给出被测试件的直径值。

Description

用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置
技术领域
本设计提供一种用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置，用于材料力学性能试验中圆截面试件的直径测量以及其它场合圆截面轴类零件的直径测量，属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。
背景技术
双悬臂梁式直径测量仪[1,2]是一种电阻应变式测量仪器，具有小于0.002毫米的分辨力，可以测量材料拉伸试样的直径以及其它类似等截面圆轴类零件的直径，测量精度不受人工操作因素的影响，适合于配接数据处理仪。但是，这种仪器的量程一般在2毫米以下，原因是电阻应变式传感器的测量范围受到弹性体变形量的限制。在工业及其它应用领域，十分需要有能够以0.001～0.01毫米的分辨力测量0～200毫米乃至更大尺寸直径的测量技术。现有的电阻应变式直径测量方法因量程窄小，不能满足这类测量需求。
[1]“一种电阻应变式直径测量装置及其使用方法”，中国专利，专利号：200810063266.5。
[2]Xiaodong Hu,Yang Lu,Error analysis of a twin-cantilever sensor formesuring external diameter,Measurement,77(2016)373-387.
发明内容
本设计的目的，是为材料力学性能试验及一般轴类零件的直径测量提供一种量程大、分辨力水平与现有电阻应变式直径测量方法相当的用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置。属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。
本设计的用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置，其测量装置包括标准器、测量主机、辅助定位机构、被测试件和数据采集-分析-处理单元五部分。
标准器0为一组标准直径规(D1，D2，Di，…，Dn)，n≥2。每一标准直径规Di由一个标准圆柱体和两个定位轴套组合而成。各标准直径规Di上标准圆柱体的直径值依次为d1，d2，di，…，dn，按d1＜d2＜di,...,＜dn的顺序排列；在标准圆柱体中任选一个，将其定义为基准圆柱，基准圆柱的直径值定义为基准直径，用d0表示；d1，d2，…，dn的算术平均值用d表示。定位轴套的结构包括光轴和光孔两段，所有定位轴套上光轴段的直径都相等。每一标准圆柱体的两端均以过盈配合方式与一个定位轴套的光孔配合，装配好的标准直径规(D1，D2，Di，…，Dn)，其两端的光轴与标准圆柱体同轴。
测量主机由基座、双悬臂梁传感器、编码丝杆和定位块组成。基座由底板和垂直固定在底板上方的左轴承支板和右轴承支板构成，左轴承支板和右轴承支板相互平行，左轴承支板上靠近顶端处安装有左轴承，右轴承支板上靠近顶端处安装有右轴承，左轴承与右轴承共轴。底板上部(上表面)在左轴承支板和右轴承支板之间加工有一条U形导向限位槽，U形导向限位槽的轴线与左轴承和右轴承的轴线平行。双悬臂梁传感器包括左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器，二者的材料、结构、形状和尺寸相同。左悬臂梁传感器包括从上而下依次固连的变截面弹性梁、左旋传动螺母左限位轴销，在弹性梁自由端嵌装有带直线刀刃的左夹持刃块、在弹性梁根部左右两侧粘贴有单轴电阻应变计R1和R2。右悬臂梁传感器包括从上而下依次固连的变截面弹性梁、右旋传动螺母和右限位轴销，在弹性梁自由端嵌装有带直线刀刃的右夹持刃块、在弹性梁根部左右两侧粘贴有单轴电阻应变计R3和R4。左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器上各有一条水平刻线，称为游标，游标与左夹持刃块和右夹持刃块的刀刃线垂直并正对刀刃线的中点。左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的变截面弹性梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h。左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器上的电阻应变计R1、R2、R3、R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示。编码丝杆由传动丝杆、三态编码器和手摇柄组成。传动丝杆的结构从左至右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段为光轴，II-III段为左旋螺杆，III-IV段为突起台阶轴，称为挡台，IV-V段为右旋螺杆，V-VI段也是光轴。左旋螺杆II-III和右旋螺杆IV-V的螺纹外径和导程均相等，且螺纹外径大于光轴I-II和光轴V-VI的直径。左悬臂梁传感器通过左旋传动螺母与传动丝杆上的左旋螺杆II-III配合，右悬臂梁传感器通过右旋传动螺母与传动丝杆上的右旋螺杆IV-V配合，传动丝杆通过光轴I-II与左轴承的旋转配合和光轴V-VI与右轴承的旋转配合安装在基座上，手摇柄固定在传动丝杆的右端。传动丝杆完成安装后，左旋螺杆II-III的左侧端面与左轴承的右侧端面旋转滑动配合，右旋螺杆IV-V的右侧端面与右轴承的左侧端面旋转滑动配合，光轴V-VI穿过右轴承伸到右轴承支板的右侧。同时，左悬臂梁传感器下部的左限位轴销和右悬臂梁传感器下部的右限位轴销分别与基座上的U形导向限位槽滑动配合，使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器处于竖直对称位置，并分别从左右两侧抵靠传动丝杆上的挡台III-IV的左端面和右端面。左夹持刃块和右夹持刃块处于正相对的位置，二者的刀刃线相互平行，构成双悬臂梁传感器的测量夹持刃口。左限位轴销和右限位轴销与U形导向限位槽的配合，使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的旋转自由度受到限制，即不能绕传动丝杆的轴线转动。传动丝杆转动时，带动左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器沿传动丝杆的轴线作相向移动或反向移动。左旋传动螺母和右旋传动螺母与传动丝杆配合副均采取消间隙措施，理论上认为传动丝杆改变旋转方向时，能够带动左旋传动螺母和右旋传动螺母无滞后地改变移动方向。三态编码器由齿盘、传感器支撑框架和左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器组成。齿盘周边带有圆弧齿，圆弧齿的数量为4的整数倍。齿盘共轴固定在传动丝杆上V-VI段光轴的中部，位于右轴承支板和手摇柄之间。传感器支撑框架固定在基座上，并将齿盘围在中间。左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁的根部分别与传感器支撑框架上的四个矩形通孔配合，并利用紧定螺钉的压紧力，固定于传感器支撑框架的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘一侧分别加工有左上三角形突棱、右上三角形突棱、左下三角形突棱、右下三角形突棱。四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使左上三角形突棱、右上三角形突棱、左下三角形突棱、右下三角形突棱的棱顶分别与齿盘周边的圆弧齿保持接触。左上三角形突棱、右上三角形突棱、左下三角形突棱、右下三角形突棱与圆弧齿接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心。
b.此时右下三角形突棱位于齿盘水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底，左上三角形突棱位于齿盘的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触。右上三角形突棱和左下三角形突棱均位于齿盘纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触。右下三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmin表示，左上三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用hmax表示，右上三角形突棱与正上方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离用hmid表示，左下三角形突棱与正下方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离也用hmid表示。hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度。
编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥电路的应变读数。
2)三态编码器测量电路零位调整：旋动手摇柄，齿盘随之转动，应变读数 均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘上相邻两个圆弧齿的齿顶间距。齿盘每转过一个齿，即一个周期T，应变读数 分别完成一次循环。观察的变化，当刚好为最小值εrmin时，停止旋动手摇柄，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘，则四个应变读数均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左上三角形突棱或右上三角形突棱或左下三角形突棱或右下三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin，最大值εrmax对应于左上三角形突棱或右上三角形突棱或左下三角形突棱或右下三角形突棱处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整三态编码器测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数的三态值组合
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环。齿盘沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数 的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，而且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T；编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。连续变化的应变读数与三态值配合，监测齿盘的旋转状态。
表2齿盘顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
4)确定左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的相对位移量：旋动手摇柄，使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器相向移动，直至二者同时抵靠挡台III-IV，以左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘的当前位置记作齿盘零位。或者将左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始旋动手摇柄，左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器随之从位移原点起相向移动或反向移动。用S表示左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的相对位移量，用公式(2)计算S：
式(2)中，t表示传动丝杆的导程，Nc表示齿盘的齿数，nz,s表示齿盘自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘顺时针转动时，左悬臂梁传感器向左移动，右悬臂梁传感器向右移动，nz和S的符号均为“+”；齿盘逆时针转动时，左悬臂梁传感器向右移动，右悬臂梁传感器向左移动，nz和S的符号均为“-”。
定位块为中部开槽的长方形块体，使用时，通过槽口与挡台III-IV配合，插放在传动丝杆上。
辅助定位机构由支座、升降螺母和升降丝杆组成。支座底部为一平板，平板中心位置有一个垂直向上的圆柱筒。平板前部和后部分别固定有垂直向上的前试件支板和后试件支板，二者的上部各有一个V形槽，这两个V形槽处于共轴位置。在V形槽的侧面有一条水平刻线，称为基准线，基准线距V形槽槽底b的高度hV按公式(3)确定：
式(3)中，θ表示V形槽两边之间的夹角。前试件支板和后试件支板构成试件定位支座。圆柱筒的内壁沿筒轴线方向嵌装有一块方键。升降螺母为加工有内螺纹的T形台阶轴，其小径段和转折端面分别与圆柱筒的内孔和上端面配合。升降丝杆为带有键槽的螺杆，其上端与基座底部固定连结，并通过螺纹与升降螺母旋转配合，使测量主机安装在支座上。方键与升降丝杆上的键槽滑动配合，使升降丝杆只能沿自身轴线移动，不能绕自身轴线转动。旋动升降螺母时，升降螺母带动测量主机相对于前试件支板和后试件支板作升降移动。测量主机在支座上安装好之后，前试件支板和后试件支板上的V形槽在x-y面内的投影与左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器在x-y面内的投影处于对称位置。
被测试件为圆截面拉伸试件，或其它刚性圆截面轴类零件。
数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统。
测量直径的方法，包括以下操作步骤：
1)测量主机初始状态调整：旋动调整螺母，调整测量主机的高度，使左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器上的游标与前试件支板和后试件支板上的基准线在水平面内对齐。
2)三态编码器零位调整：将由电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数据采集-分析-处理单元，按零位四步调整法对三态编码器测量电路进行零位调整。
3)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块插放在传动丝杆的正上方，旋动手摇柄调整左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的位置，直至二者同时抵靠定位块，停止旋转手摇柄。取下定位块，此时左夹持刃块的刀刃线与右夹持刃块的刀刃线的间距s0小于标准圆柱体的最小直径d1。s0定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距。设定好基准距s0的双悬臂梁传感器状态，定义为基准态。在基准态下，将齿盘的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的当前位置分别记作各自的位移原点。
4)测量系统标定：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元。将标准直径规D1，D2，…，Dn依次放入V形槽，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn。以εr1，εr2，…，εrn为标定数，用线性拟合方法得出直径值d与应变读数εr的函数关系，即直径计算公式：
式(4)中，A和B是常数，分别用公式(5)和(6)计算：
式(5)和(6)中，n表示标准器所含标准直径规D1，D2，…，Dn的个数，di表示不同直径标准圆柱体的直径值，εri表示与直径值di对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn。与基准直径d0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示。
5)测量：旋动手摇柄，调整左夹持刃块和右夹持刃块的间距，使之略大于被测试件的直径。将被测试件放入V形槽，固定在试件定位支座上。用升降螺母调整测量主机的高度，使被测试件的轴线在水平面内与游标对齐。旋转手摇柄，使左夹持刃块和右夹持刃块夹持被测试件，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止旋转手摇柄。用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件的直径d：
a)将εr代入式(7)，用d*表示计算结果，即
b)将d*代入修正公式(8)，得到等效直径dS＝0：
式(8)中，d0是基准直径，s0是基准距，h是左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器上弹性梁柔性段ce的高度，H是左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器上弹性梁刚性段ac的高度，L0是基准圆柱的轴线到左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器根部的距离，e是电阻应变计R1、R2、R3、R4的敏感栅到左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器根部的距离，m是左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器上弹性梁柔性段ce的长度，θ是V形槽的夹角。等效直径dS＝0表示在左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的相对位移量S＝0的条件下测得的直径。
c)将εr、nz、nz,s、nz,n代入公式(2)，得到左悬臂梁传感器和右悬臂梁传感器的相对位移S。
d)将dS＝0和S代入公式(9)，得到被测试件的直径d：
d＝dS＝0+S (9)
本设计具有以下特点：
1、直径测量范围宽。与现有两臂固定式的双悬臂梁直径测量仪相比，本设计通过编码丝杆调整两个悬臂梁传感器的间距测量直径，量程主要取决于传动丝杆-悬臂梁传感器配合副的移程，而不是仅由悬臂梁的弹性变形量决定，因此能够大幅度提高量程，并且理论上可以测量0直径。利用本设计，可以设计宽量程测量仪器，例如0～20毫米，0～200毫米，200～500毫米，乃至更大量程的直径测量仪。
2、可以达到与现有双悬臂梁直径测量仪同等水平的分辨力。本设计的分辨力由双悬臂梁传感器与编码丝杆两方面因素决定，在编码丝杆的分辨力≤双悬臂梁传感器的分辨力的条件下，整机分辨力由双悬臂梁传感器的分辨力决定。因此，本设计可以具有双悬臂梁直径测量仪的分辨能力。
3、具有“柔性等差输出”性质。本设计在测量过程中，当双悬臂梁传感器夹持被测试件后，数据采集-分析-处理单元即进入有效显示状态。在有效显示状态下，旋动手摇柄使应变读数εr在基准应变示数εr0附近变化，可以看到，虽然应变读数εr和双悬臂梁传感器的相对位移量S都在变化，但是由公式(9)给出的直径值却d保持不变。这个现象称为“柔性等差输出”。利用这一性质，在测量时总可以通过旋动手摇柄调整应变读数εr，使εr＝εr0，由此至少可以带来两个好处：一是减少传感器非线性引起的测量误差，因为εr＝εr0意味着每次测量中悬臂梁传感器的工作点都相同，即传感器弹性体有相同的弯曲变形量和应变信号输出；二是有利于控制接触变形引起的测量误差，因为εr＝εr0意味着每次测量中夹持刃块与被测试件的接触压力都和标定时夹持刃块与标准圆柱的接触压力相等。
4、标定方法简单。本设计的标定(校准)是一个二元基准传递过程，即同时包含两种基准传递：传动丝杆副长度基准传递和双悬臂梁传感器长度基准传递两种。其中传动丝杆副长度基准传递由丝杆副加工及检验工艺保证。在传动丝杆副传动精度足够高的前提下，只须用一组标准器(即一种尺寸规格系列的标准圆柱体，例如直径范围为10±0.2mm或20±0.2mm的标准圆柱体)在仪器总量程的一个局部范围对系统进行标定，就可以保证全量程直径测量的准确性。因此，本设计只需要配备一组尺寸规格适当的标准器，而且可以在使用现场随时对仪器进行标定。
5、模拟测量与数字测量相结合。本设计由编码丝杆和双悬臂梁传感器两个基本测量单元组合而成。编码丝杆的主要功能部件三态编码器输出的应变信号是模拟量，经过数据采集-分析-处理单元三级量化处理，得到数字量三态编码值0、1/2、1。因此，本设计兼具模拟测量与数字测量双重属性。在测量过程中，数据采集-分析-处理单元根据两方面的条件参数实时判定齿盘的转动方向和转动角度：一是三态编码器四个半桥输出的应变模拟信号的升降变化，即四个应变输出信号的交替递增和递减；二是三态值的变化，即表2、表3给出的8个逻辑状态组合。这两方面条件参数具有确定的一一对应关系，二者相互配合，保证编码丝杆位移测量的正确性和准确性。
6、半自动数字化应用和全自动数字化应用均适合。测量主机以手摇柄驱动方式测量，为半自动数字化测量。采用微机控制伺服马达替代手摇柄，则可以实现闭环控制的全自动数字化测量。
附图说明
图1是测量装置构造简图的主视图；
图2是测量装置构造简图的右视图；
图3是三态编码器构造原理简图；
图4是标准器构造简图；
图5是双悬臂梁传感器全桥测量电路示意图；
图6是三态编码器测量电路示意图，其中(a)电阻应变计[R5,R6]半桥图，(b)电阻应变计[R7,R8]半桥图，(c)电阻应变计[R9,R10]半桥图，(d)电阻应变计[R11,R12]半桥图；
图中：0.标准器，1.基座，2.左侧轴承支板，3.左侧轴承，4.传动丝杆，5.U形导向限位槽，6.左限位轴销，7.左传动螺母，8.右限位轴销，9.右传动螺母，10.左悬臂梁传感器，11.左夹持刃块，12.被测试件，13.右夹持刃块，14.右悬臂梁传感器，15.V形槽，16.后侧试件支板，17.右侧轴承支板，18.右侧轴承，19.传感器支撑框架，20.右上悬臂梁传感器，21.圆弧齿，22.齿盘，23.手摇柄，24.左下悬臂梁传感器，25.右下悬臂梁传感器，26.支座，27.方键，28.圆柱筒，29.升降螺母，30.键槽，31.升降丝杆，32.前侧试件支板，33.左上悬臂梁传感器，34.左上三角形突棱，35.右上三角形突棱，36.右下三角形突棱，37.左下三角形突棱，38.标准圆柱体，39.定位轴套，40.定位块，41.紧定螺钉，42.矩形通孔，43.螺纹孔，J0.基准线，J.游标，SB.三态编码器，测量主机ZJ.，FJ.辅助定位机构，(D1、D2，…，Dn).标准直径规。
具体实施方式
以下结合附图对本设计作进一步说明。
参照图1-图6，本设计为一种用双动悬臂梁传感器测量直径的方法及装置。该方法及装置包括标准器0、测量主机ZJ、辅助定位机构FJ、被测试件12和数据采集-分析-处理单元五部分。
标准器0为一组标准直径规(D1，D2，Di，…，Dn)，n≥2。每一标准直径规Di由一个标准圆柱体38和两个定位轴套39组合而成。各标准直径规Di上标准圆柱体38的直径值依次为d1，d2，di，…，dn，按d1＜d2＜di,...,＜dn的顺序排列。在标准圆柱体38中任选一个(一般以选择直径值居中者为宜)，将其定义为基准圆柱，基准圆柱的直径值定义为基准直径，用d0表示。d1，d2，…，dn的算术平均值用d表示。定位轴套39的结构包括光轴和光孔两段，所有定位轴套39上光轴段的直径都相等。每一标准圆柱体38的两端均以过盈配合方式与一个定位轴套39的光孔配合，装配好的标准直径规(D1，D2，Di，…，Dn)，其两端的光轴与标准圆柱体38同轴。标准器0采用标准圆柱体38与定位轴套配装的39组合结构，目的是保证用标准器0对测量系统进行标定时，不同直径的标准圆柱体38与夹持刃块的接触点都相同。
测量主机ZJ由基座1、双悬臂梁传感器、编码丝杆和定位块40组成。
基座1由底板B和垂直固定在底板B上方的左轴承支板2和右轴承支板17构成。左轴承支板2和右轴承支板17相互平行，左轴承支板2上靠近顶端处安装有左轴承4，右轴承支板17上靠近顶端处安装有右轴承18，左轴承4与右轴承18共轴。底板B顶部(上表面)在左轴承支板2和右轴承支板17之间加工有一条U形导向限位槽5，该U形导向限位槽5的轴线与左轴承4和右轴承18的轴线平行。
双悬臂梁传感器包括左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14，二者的材料、结构、形状和尺寸相同。左悬臂梁传感器10的结构包括变截面弹性梁、嵌装在弹性梁自由端下方的带有直线刀刃的左夹持刃块11、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计R1和R2、嵌装在弹性梁根部的左旋传动螺母7和左限位轴销6。右悬臂梁传感器14的结构包括变截面弹性梁、嵌装在弹性梁自由端下方的带有直线刀刃的右夹持刃块13、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计R3和R4、嵌装在弹性梁根部的右旋传动螺母9和右限位轴销8。左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14上各有一条水平刻线J，称为游标，游标J与左夹持刃块11和右夹持刃块13的刀刃线垂直并正对刀刃线的中点。左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的变截面弹性梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h。左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14上的电阻应变计R1、R2、R3、R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示。
编码丝杆由传动丝杆4、三态编码器SB和手摇柄23组成。传动丝杆4的结构从左至右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段为光轴，II-III段为左旋螺杆，III-IV段为突起台阶轴，称为挡台，IV-V段为右旋螺杆，V-VI段也是光轴。左旋螺杆II-III和右旋螺杆IV-V的螺纹外径和导程均相等，且螺纹外径大于光轴I-II和光轴V-VI的直径。左悬臂梁传感器10通过左旋传动螺母7与传动丝杆4上的左旋螺杆II-III配合，右悬臂梁传感器14通过右旋传动螺母9与传动丝杆4上的右旋螺杆IV-V配合，传动丝杆4通过光轴I-II与左轴承3的旋转配合和光轴V-VI与右轴承18的旋转配合安装在基座1上。手摇柄23固定在传动丝杆4的右端。传动丝杆4完成安装后，左旋螺杆II-III的左侧端面与左轴承3的右侧端面旋转滑动配合，右旋螺杆IV-V的右侧端面与右轴承18的左侧端面旋转滑动配合，光轴V-VI穿过右轴承18伸到右轴承支板17的右侧；同时，左悬臂梁传感器10下部的左限位轴销6和右悬臂梁传感器14下部的右限位轴销8分别与基座1上的U形导向限位槽5滑动配合，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14处于竖直对称位置，并分别从左右两侧抵靠传动丝杆4上的挡台III-IV的左端面和右端面。左夹持刃块11和右夹持刃块13处于正相对的位置，二者的刀刃线相互平行，构成双悬臂梁传感器的测量夹持刃口。左限位轴销6和右限位轴销8与U形导向限位槽5的配合，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的旋转自由度受到限制，即不能绕传动丝杆的轴线转动。传动丝杆4转动时，带动左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14沿传动丝杆4的轴线作相向移动或反向移动。左旋传动螺母7和右旋传动螺母9与传动丝杆4配合副均采取消间隙措施，理论上认为传动丝杆4改变旋转方向时，能够带动左旋传动螺母7和右旋传动螺母9无滞后地改变移动方向。
三态编码器SB由齿盘22、传感器支撑框架19和左上悬臂梁传感器33、右上悬臂梁传感器20、左下悬臂梁传感器24、右下悬臂梁传感器25组成。齿盘22周边带有圆弧齿21，也可以采用其它形状的齿。圆弧齿21的数量应为4的整数倍，例如128、360、512。齿盘22共轴固定在传动丝杆4上V-VI段光轴的中部，位于右轴承支板17和手摇柄23之间。传感器支撑框架19固定在基座1上，并将齿盘22围在中间。左上悬臂梁传感器33、右上悬臂梁传感器20、左下悬臂梁传感器24、右下悬臂梁传感器25采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，这四个弹性梁的根部分别与传感器支撑框架19上的四个矩形通孔42配合，并利用紧定螺钉41的压紧力，固定于传感器支撑框架19的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘22一侧分别加工有左上三角形突棱34、右上三角形突棱35、左下三角形突棱36、右下三角形突棱37。四个弹性梁在安装好之后均有一定量的弯曲变形，称为预变形，预变形产生的弹性压力使左上三角形突棱34、右上三角形突棱35、左下三角形突棱36、右下三角形突棱37的棱顶分别与齿盘22周边的圆弧齿21保持接触。左上三角形突棱34、右上三角形突棱35、左下三角形突棱36、右下三角形突棱37与圆弧齿21接触点的具体位置按以下条件确定：
a.设齿盘22的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿21和正下方圆弧齿21的中心，同时齿盘22的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿21和最右端圆弧齿21的中心。
b.此时右下三角形突棱36位于齿盘22水平对称线和最右端圆弧齿21的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿21之间的谷底；左上三角形突棱34位于齿盘22的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿21的顶点接触；右上三角形突棱35和左下三角形突棱37均位于齿盘22纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿21的右侧和正下方圆弧齿21的右侧接触。右下三角形突棱36到齿盘22纵向对称线的距离用hmin表示，左上三角形突棱34到齿盘22纵向对称线的距离用hmax表示，右上三角形突棱35与正上方圆弧齿21接触点到齿盘22水平对称线的距离用hmid表示，左下三角形突棱37与正下方圆弧齿21接触点到齿盘22水平对称线的距离也用hmid表示。hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系；
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度。
编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器SB测量电路连接：将电阻应变计R5,R6、R7,R8、R9,R10、R11,R12分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥测量电路的应变读数。
2)三态编码器SB测量电路零位调整：旋动手摇柄23，齿盘22随之转动，应变读数均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘22上相邻两个圆弧齿21的齿顶间距。齿盘22每转过一个齿，即一个周期T，应变读数分别完成一次循环。观察的变化，当刚好为最小值εrmin时，停止旋手摇柄23，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘22，则应变读数 均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化。最小值0对应于左上三角形突棱34或右上三角形突棱35或左下三角形突棱36或右下三角形突棱37处在正对相邻两圆弧齿21之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin。最大值εrmax对应于左上三角形突棱34或右上三角形突棱35或左下三角形突棱36或右下三角形突棱37处在与圆弧齿21顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax。以上调整三态编码器SB测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。
3)确定应变读数与齿盘22旋转状态的关系：完成三态编码器SB测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax。数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值。数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值。满值、零值和中值统称应变读数的三态编码值，简称三态值。齿盘22旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘22的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：
表1应变读数的三态值组合
从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘22旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘22沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环，齿盘22沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，而且均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘22的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘22沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T；编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘22沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。连续变化的应变读数与三态值配合，监测齿盘22的旋转状态。
表2齿盘22顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
表3齿盘22逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。
表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小
4)确定左悬臂梁传感器10与右悬臂梁传感器14的相对位移量：旋动手摇柄23，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14相向移动，直至二者同时抵靠挡台III-IV。以左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的当前位置作为二者的位移原点，并将齿盘22的当前位置记作齿盘零位。也可以将左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘22的当前位置记作齿盘零位。从齿盘零位开始旋动手摇柄23，左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14随之从位移原点起反向移动。用S表示左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的相对位移量，用公式(2)计算S：
式(2)中，t表示传动丝杆4的导程，Nc表示齿盘22的齿数，nz,s表示齿盘22自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘22自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数。nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数。nz和S是代数量，齿盘22顺时针转动时，左悬臂梁传感器10向左移动，右悬臂梁传感器14向右移动，nz和S的符号均为“+”。齿盘22逆时针转动时，左悬臂梁传感器10向右移动，右悬臂梁传感器14向左移动，nz和S的符号均为“-”。
定位块40为中部开槽的长方形块体，使用时，通过槽口与挡台III-IV配合，插放在传动丝杆4上方。
辅助定位机构FJ由支座26、升降螺母29和升降丝杆31组成。支座26底部为一平板，平板中心位置有一个垂直向上的圆柱筒28，平板前部和后部分别固定有垂直向上的前试件支板32和后试件支板16，二者的上部各有一个V形槽15，这两个V形槽15处于共轴位置。在V形槽15的侧面有一条水平刻线J0，称为基准线，基准线J0距V形槽15槽底b的高度hV按公式(3)确定：
式(3)中，θ表示V形槽15两边之间的夹角。前试件支板32和后试件支板16构成试件定位支座。圆柱筒28的内壁沿筒轴线方向嵌装有一条方键2。升降螺母29为加工有内螺纹的T性台阶轴，其小径段和转折端面分别与圆柱筒28的内孔和上端面配合。升降丝杆31为带有键槽30的螺杆，其上端与基座1底部固定连结，并通过螺纹与升降螺母29旋转配合，使测量主机ZJ安装在支座26上。方键27与升降丝杆31上的键槽30滑动配合，使升降丝杆25只能沿自身轴线移动，不能绕自身轴线转动。旋动升降螺母29时，升降螺母29带动主机ZJ相对于前试件支板32和后试件支板1作升降移动。测量主机ZJ在支座26上安装好之后，前试件支板32和后试件支板16上的V形槽15在x-y面内的投影与左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14在x-y面内的投影处于对称位置。
被测试件12为圆截面拉伸试件，以及其它圆截面刚性轴类零件。
数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统。
测量直径的方法，包括测量装置标定和测量，操作步骤如下：
1)测量主机ZJ初始状态调整：旋动调整螺母29，调整测量主机ZJ的高度，使左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14上的游标J与前试件支板32和后试件支板16上的基准线J0在水平面内对齐。
2)三态编码器SB零位调整：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数据采集-分析-处理单元，按前述零位四步调整法对三态编码器SB测量电路进行零位调整。
3)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块40插放在传动丝杆4上，旋动手摇柄23调整左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的位置，直至二者同时抵靠定位块40，停止旋转手摇柄23。取下定位块40，此时左夹持刃块11的刀刃线与右夹持刃块13的刀刃线的间距s0小于标准圆柱体的最小直径d1。s0定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距。设定好基准距s0的双悬臂梁传感器状态，定义为基准态。在基准态下，由数据采集-分析-处理单元将齿盘22的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的当前位置分别记作各自的位移原点。
4)测量系统标定：将由电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元。将标准直径规D1，D2，…，Dn依次放入V形槽15，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn。以εr1，εr2，…，εrn为标定数，用线性拟合方法得出直径值d与应变读数εr的函数关系，即直径计算公式
式(4)中，A和B是常数，分别用公式(5)和(6)计算：
式(5)和(6)中，n表示标准器0所含标准直径规D1，D2，…，Dn的个数，di表示不同直径标准圆柱体38的直径值，εri表示与直径值di对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn。与基准直径d0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示。
5)测量：旋动手摇柄23，将左夹持刃块11和右夹持刃块13的间距调整到略大于被测试件12的直径。将被测试件12放入V形槽15，使之固定在试件定位支座上。用升降螺母29调整测量主机ZJ的高度，使被测试件12的轴线在水平面内与游标J对齐。旋转手摇柄23，使左夹持刃块11和右夹持刃块13夹持被测试件12，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止旋转手摇柄23。用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件12的直径d：
a)将εr代入式(7)，用d*表示计算结果，即
b)将d*代入修正公式(8)，得到等效直径dS＝0：
式(8)中，d0是基准直径，s0是基准距，h是可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12上弹性梁柔性段ce的高度，H是左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14上弹性梁刚性段ac的高度，L0是基准圆柱的轴线到左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14根部的距离，e是电阻应变计R1、R2、R3、R4的敏感栅到左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14根部的距离，m是左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14上弹性梁柔性段ce的长度，θ是V形槽15的夹角。等效直径dS＝0表示在左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的相对位移量S＝0条件下测得的直径。
c)将εr、nz、nz,s、nz,n代入公式(2)，得到左悬臂梁传感器10和右悬臂梁传感器14的相对位移S量；
d)将dS＝0和S代入公式(9)，得到被测试件12的直径d：
d＝dS＝0+S (9)
测量软件基本算法的程序设计按照以上说明进行。在测量方法的直径计算程序中引入修正公式(8)，是为了消除触点偏移误差。触点偏移误差，是指由于直径不同的被测试件10与夹持刃块(左夹持刃块9和右夹持刃块11)的接触点位置不同而产生的直径测量误差。在图1中，L和L0分别表示被测试件10的轴线和基准圆柱的轴线到可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12根部的距离，二者之差ΔL＝L-L0，称为触点偏移。ΔL的存在，会造成一定的测量误差，即触点偏移误差。有关触点偏移误差的分析论证，见参考文献“XiaodongHu,Yang Lu,Error analysis of a twin-cantilever sensor for mesuring externaldiameter,Measurement,77(2016)373-387”。

Claims (1)

1.用双动悬臂梁传感器测量直径的装置，其特征是，由标准器(0)、测量主机(ZJ)、辅助定位机构(FJ)、被测试件(12)和数据采集-分析-处理单元组成测量装置；
标准器(0)为一组标准直径规(D1，D2，Di，…，Dn)，n≥2；每一标准直径规Di由一个标准圆柱体(38)和两个定位轴套(39)组合而成；各标准直径规Di上标准圆柱体(38)的直径值依次为d1，d2，di，…，dn，按d1＜d2＜di,...,＜dn的顺序排列；在标准圆柱体(38)中任选一个，将其定义为基准圆柱，基准圆柱的直径值定义为基准直径，用d0表示；d1，d2，…，dn的算术平均值用表示；定位轴套(39)的结构包括光轴和光孔两段，所有定位轴套(39)上光轴段的直径都相等；每一标准圆柱体(38)的两端均以过盈配合方式与一个定位轴套(39)的光孔配合，装配好的标准直径规(D1，D2，Di，…，Dn)，其两端的光轴与标准圆柱体(38)同轴；
测量主机(ZJ)由基座(1)、双悬臂梁传感器、编码丝杆和定位块(40)组成；基座(1)由底板(B)和均垂直固定在底板(B)上的左轴承支板(2)和右轴承支板(17)构成，左轴承支板(2)上安装有左轴承(4)，右轴承支板(17)上安装有右轴承(18)，左轴承(4)与右轴承(18)共轴；底板(B)上表面在左轴承支板(2)和右轴承支板(17)之间加工有一条U形导向限位槽(5)，U形导向限位槽(5)的轴线与左轴承(4)和右轴承(18)的轴线平行；双悬臂梁传感器包括左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)，二者的材料、结构、形状和尺寸相同；左悬臂梁传感器(10)包括从上而下依次固连的变截面弹性梁、左旋传动螺母(7)和左限位轴销(6)，在弹性梁自由端嵌装有带直线刀刃的左夹持刃块(11)、在弹性梁根部左右两侧粘贴有单轴电阻应变计R1和R2；右悬臂梁传感器(14)包括从上而下依次固连的变截面弹性梁、右旋传动螺母(9)和右限位轴销(8)，在弹性梁自由端嵌装有带直线刀刃的右夹持刃块(13)、在弹性梁根部左右两侧粘贴有单轴电阻应变计R3和R4；左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)上各有一条水平刻线(J)，称为游标，游标(J)与左夹持刃块(11)和右夹持刃块(13)的刀刃线垂直并正对刀刃线的中点；左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的变截面弹性梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h；电阻应变计R1,R2和R3,R4组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用εr表示；编码丝杆由传动丝杆(4)、三态编码器(SB)和手摇柄(23)组成；传动丝杆(4)的结构从左至右分为I-II、II-III、III-IV、IV-V、V-VI五段，I-II段为光轴，II-III段为左旋螺杆，III-IV段为突起台阶轴，称为挡台，IV-V段为右旋螺杆，V-VI段也是光轴，左旋螺杆II-III和右旋螺杆IV-V的螺纹外径和导程均相等，且螺纹外径大于光轴I-II和光轴V-VI的直径；左悬臂梁传感器(10)通过左旋传动螺母(7)与传动丝杆(4)上的左旋螺杆II-III配合，右悬臂梁传感器(14)通过右旋传动螺母(9)与传动丝杆(4)上的右旋螺杆IV-V配合；传动丝杆(4)通过光轴I-II与左轴承(3)的旋转配合和光轴V-VI与右轴承(18)的旋转配合安装在基座(1)上，手摇柄(23)固定在传动丝杆(4)的右端；装配好的传动丝杆(4)，左旋螺杆II-III的左侧端面与左轴承(3)的右侧端面旋转滑动配合，右旋螺杆IV-V的右侧端面与右轴承(18)的左侧端面旋转滑动配合，光轴V-VI穿过右轴承(18)伸到右轴承支板(17)的右侧；同时，左悬臂梁传感器(10)下部的左限位轴销(6)和右悬臂梁传感器(14)下部的右限位轴销(8)分别与基座(1)上的U形导向限位槽(5)滑动配合，使左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)处于竖直对称位置；传动丝杆(4)转动时，带动左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)沿传动丝杆(4)的轴线作相向移动或反向移动；左旋传动螺母(7)和右旋传动螺母(9)与传动丝杆(4)配合副均采取消间隙措施，理论上认为传动丝杆(4)改变旋转方向时，能够带动左旋传动螺母(7)和右旋传动螺母(9)无滞后地改变移动方向；三态编码器(SB)由齿盘(22)、传感器支撑框架(19)和左上悬臂梁传感器(33)、右上悬臂梁传感器(20)、左下悬臂梁传感器(24)、右下悬臂梁传感器(25)组成，齿盘(22)周边带有若干圆弧齿(21)，圆弧齿(21)的数量为4的整数倍，齿盘(22)共轴固定在传动丝杆(4)上V-VI段光轴的中部，位于右轴承支板(17)和手摇柄(23)之间；传感器支撑框架(19)为一矩形框架，框架的四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔(42)和一个与矩形通孔(42)垂直联通的螺纹孔(43)；传感器支撑框架(19)固定在基座(1)上，并将齿盘(22)围在中间；左上悬臂梁传感器(33)、右上悬臂梁传感器(20)、左下悬臂梁传感器(24)、右下悬臂梁传感器(25)采用等截面弹性梁或变截面弹性梁，四个弹性梁的根部依次插入四个矩形通孔(42)，并利用紧定螺钉(41)旋入螺纹孔(43)产生的压紧力固定于传感器支撑框架(19)的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁；四个弹性梁在靠近根部处沿梁轴线方向分别贴有单轴电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]，四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘(22)一侧分别加工有左上三角形突棱(34)、右上三角形突棱(35)、左下三角形突棱(36)、右下三角形突棱(37)，四个弹性梁均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使各三角形突棱的棱顶分别与齿盘(22)周边的圆弧齿(21)保持接触，接触点的具体位置如下：
a.设齿盘(22)的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘(22)的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心；
b.此时右下三角形突棱(36)位于齿盘(22)水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿(21)之间的谷底；左上三角形突棱(34)位于齿盘(22)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；右上三角形突棱(35)和左下三角形突棱(37)均位于齿盘(22)纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触；右下三角形突棱(36)到齿盘(22)纵向对称线的距离用hmin表示，左上三角形突棱(34)到齿盘(22)纵向对称线的距离用hmax表示，右上三角形突棱(35)与正上方圆弧齿接触点到齿盘(22)水平对称线的距离以及左下三角形突棱(37)与正下方圆弧齿接触点到齿盘(22)水平对称线的距离均用hmid表示；hmid与hmin和hmax之间存在式(1)表示的关系：
hmin、hmid和hmax统称特征高度，其中hmin称为最小特征高度，hmid称为平均特征高度，hmax称为最大特征高度；
编码丝杆按以下方式工作：
1)三态编码器(SB)测量电路连接：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用 分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个测量电路的应变读数；
2)三态编码器(SB)测量电路零位调整：旋动手摇柄(23)，齿盘(22)随之转动，应变读数均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘(22)上相邻两个圆弧齿(21)的齿顶间距；齿盘(22)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数各自完成一次循环；观察的变化，当刚好为最小值εrmin时，停止旋动手摇柄(23)，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R5,R6]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即重复前述动作，依次在 取得最小值εrmin时，调节电阻应变计[R7,R8]、[R9,R10]和[R11,R12]所在电桥的平衡电路，使按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘(22)，则应变读数 均在最小值0和一个最大值εrmax之间循环变化，最小值0对应于左上三角形突棱(34)或右上三角形突棱(35)或左下三角形突棱(36)或右下三角形突棱(37)处在正对相邻两圆弧齿(21)之间的谷底位置，即对应最于小特征高度hmin；最大值εrmax对应于左上三角形突棱(34)或右上三角形突棱(35)或左下三角形突棱(36)或右下三角形突棱(37)处在与圆弧齿(21)顶点接触的位置，即对应于最大特征高度hmax；以上调整三态编码器(SB)测量电路零位的方法，称为零位四步调整法；
3)确定应变读数与齿盘(22)旋转状态的关系：完成三态编码器(SB)测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数的最大值εrmax、最小值0和平均值0.5εrmax；数字1与最大特征高度hmax对应，定义为满值；数字0与最小特征高度hmin对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度hmid对应，定义为中值；满值、零值和中值共同定义为应变读数的三态编码值，简称三态值；齿盘(22)旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化；三态值的循环变化，用于确定齿盘(22)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；
4)确定左悬臂梁传感器(10)与右悬臂梁传感器(14)的相对位移量：旋动手摇柄(23)，使左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)相向移动，直至二者同时抵靠挡台III-IV，以左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的当前位置分别作为二者的位移原点，并将齿盘(22)的当前位置记作齿盘零位；或者将左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)调整到移动范围内的某一指定位置或任意位置，以左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的当前位置作为二者的位移原点，同时将齿盘(22)的当前位置记作齿盘零位；从齿盘零位开始，旋动手摇柄(23)，左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)随之从位移原点起作相向移动或反向移动；用S表示左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的相对位移量，用公式(2)计算S：
式(2)中，t表示传动丝杆(4)的导程，Nc表示齿盘(22)的齿数，nz,s表示齿盘(22)自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，nz,n表示齿盘(22)自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，nz,s和nz,n恒取正值，nz表示nz,s与nz,n之差，定义为有效转动齿数；nz,s、nz,n和nz也称为齿盘转动参数；nz和S是代数量，齿盘(22)顺时针转动时，左悬臂梁传感器(10)向左移动，右悬臂梁传感器(14)向右移动，nz和S的符号均为“+”；齿盘(22)逆时针转动时，左悬臂梁传感器(10)向右移动，右悬臂梁传感器(14)向左移动，nz和S的符号均为“-”；
定位块(40)为中部开槽的长方形块体，使用时，通过槽口与挡台III-IV的配合，插放在传动丝杆(4)上方；
辅助定位机构(FJ)由支座(26)、升降螺母(29)和升降丝杆(31)组成；支座(26)底部为一平板，平板中心位置有一个垂直向上的圆柱筒(28)，平板前部和后部分别固定有垂直向上的前试件支板(32)和后试件支板(16)，二者的上部各有一个V形槽(15)，这两个V形槽(15)处于共轴位置；在V形槽(15)的侧面有一条水平刻线(J0)，称为基准线；基准线(J0)距V形槽(15)槽底b的高度hV按公式(3)确定：
式(3)中，θ表示V形槽(15)两边的夹角；前试件支板(32)和后试件支板(16)构成试件定位支座；圆柱筒(28)的内壁沿筒轴线方向嵌装有一条方键(27)；升降螺母(29)为加工有内螺纹的T形台阶轴，其小径段和转折端面分别与圆柱筒(28)的内孔和上端面配合；升降丝杆(31)为带有键槽(30)的螺杆，其上端与基座(1)底部固定连结，并通过螺纹与升降螺母(29)配合，使测量主机(ZJ)安装在支座(26)上；方键(27)与升降丝杆(31)上的键槽(30)滑动配合，使升降丝杆(25)只能沿自身轴线移动，不能转动，旋动升降螺母(29)时，升降螺母(29)带动测量主机(ZJ)相对于前试件支板(32)和后试件支板(16)作升降移动；测量主机(ZJ)在支座(26)上安装好之后，前试件支板(32)和后试件支板(16)上的V形槽(15)在x-y面内的投影与左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)在x-y面内的投影处于对称位置；
被测试件(12)为圆截面刚性轴类零件；
数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统，测量软件是基于式(1)-(9)、及表1、2、3的逻辑所设计的用以计算试样直径d的软件；
采用上述装置测量试样直径的方法，包括以下操作步骤：
1)测量主机(ZJ)初始状态调整：旋动调整螺母(29)，调整测量主机(ZJ)的高度，使左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)上的游标(J)与前试件支板(32)和后试件支板(16)上的基准线(J0)在水平面内对齐；
2)三态编码器(SB)零位调整：将电阻应变计[R5,R6]、[R7,R8]、[R9,R10]、[R11,R12]组成的四个半桥测量电路分别接入数据采集-分析-处理单元，按零位四步调整法对三态编码器(SB)测量电路进行零位调整；
3)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块(40)插放在传动丝杆(4)的正上方，旋动手摇柄(23)调整左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的位置，当二者同时抵靠定位块(40)时，停止旋转手摇柄(23)，取下定位块(40)；此时左夹持刃块(11)的刀刃线与右夹持刃块(13)的刀刃线的间距s0小于标准圆柱体的最小直径d1；s0定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距；设定好基准距s0的双悬臂梁传感器状态，定义为基准态；在基准态下，将齿盘(22)的当前位置记作齿盘零位，将左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的当前位置分别记作各自的位移原点；
4)测量系统标定：将电阻应变计R1、R2、R3、R4组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元；将标准直径规D1、D2、，…，Dn依次放入V形槽(15)，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数εr1，εr2，…，εrn；以εr1，εr2，…，εrn为标定数，用线性拟合方法得出直径值d与应变读数εr的函数关系，即直径计算公式
式(4)中，A和B是常数，分别用公式(5)和(6)计算：
式(5)和(6)中，n表示标准器(0)所含标准直径规(D1，D2，…，Dn)的个数，di表示不同直径标准圆柱体(38)的直径值，εri表示与di对应的应变读数，即标定数εr1，εr2，…，εrn；与基准直径d0对应的标定数定义为基准应变示数，用符号εr0表示；
5)测量：旋动手摇柄(23)，调整左夹持刃块(11)和右夹持刃块(13)的间距，使之大于被测试件(12)的直径，将被测试件(12)放入V形槽(15)，使之固定在试件定位支座上；用升降螺母(29)调整测量主机(ZJ)的高度，使被测试件(12)的轴线在水平面内与游标(J)对齐；旋转手摇柄(23)，使左夹持刃块(11)和右夹持刃块(13)夹持被测试件(12)，当应变读数εr＝εr0或εr≈εr0时，停止旋转手摇柄(23)；用当前的应变读数εr和齿盘参数nz、nz,s、nz,n，按以下方法计算被测试件(10)的直径d：
a)将εr代入式(7)，用d*表示计算结果，即
b)将d*代入修正公式(8)，得到等效直径dS＝0：
式(h)中，d0是基准直径，s0是基准距，h是左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)上弹性梁柔性段ce的高度，H是左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)上弹性梁刚性段ac的高度，L0是基准圆柱的轴线到左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)根部的距离，e是电阻应变计R1、R2、R3、R4的敏感栅到左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)根部的距离，m是左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)上弹性梁柔性段ce的长度，θ是V形槽(15)的夹角；等效直径dS＝0表示左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的相对位移量S＝0条件下测得的直径；
c)将εr、nz、nz,s、nz,n代入公式(2)，得到左悬臂梁传感器(10)和右悬臂梁传感器(14)的相对位移S；
d)将dS＝0和S代入公式(9)，得到被测试件(12)的直径d：
d＝dS＝0+S (9)。
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