CN110657740A - 测量材料试样厚度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量材料试样厚度的方法及装置。该装置主要包括测量主机、定位块、标准器、被测试件和数据采集‑分析‑处理单元；测量主机由基座、编码丝杆和双悬臂梁传感器组成，编码丝杆由测微丝杆和三态编码器组成，三态编码器由齿盘和四副悬臂梁传感器组成，双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器组成；测量时，双悬臂梁传感器夹持被测试件，并与编码丝杆配合，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厚度值。

Description

测量材料试样厚度的方法及装置

技术领域

本设计提供一种测量材料试样厚度的方法及装置，用于材料力学性能试验板试样、弧形截面试样等试样的厚度测量以及一般机械零件的厚度测量，属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。

背景技术

双悬臂梁式厚度测量仪^[1]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厚度以及其它类似等截面机械零件的厚度，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，对于能够以0.001～0.01毫米的分辨力测量0～200毫米乃至更大尺寸厚度的测量技术，有着普遍的需求。对于这些大量程测量，现有电阻应变式厚度测量方法是不能满足的。

[1]“一种电阻应变式厚度测量装置及其使用方法”，中国专利，专利号：ZL201110325452.3。

发明内容

本设计的目的，是为材料力学性能试验用的试样及一般机械零件的厚度测量，提供一种分辨力水平与电阻应变式厚度测量方法相当且能够大幅度提高量程的测量方法及装置。属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。

本设计为测量材料试样厚度的方法及装置，包括测量主机、标准器、定位块、被测试件、标准器支架、试件支架和数据采集-分析-处理单元七部分。测量主机是基本测量装置，其余六部分与测量主机配合，组成测量系统。

测量主机由机架、编码丝杆、限位导杆和悬臂梁传感器组成。机架的结构包括底板、固定在底板上部的左轴承支板和右轴承支板。底板上部加工有第一定位槽和第二定位槽，二者相互平行。左轴承支板位于第一定位槽的左侧，右轴承支板位于第二定位槽的右侧，四者相互平行。左轴承支板和右轴承支板各有一个圆形通孔和一个方形通孔，圆形通孔位于方形通孔上方，两圆形通孔和两方形通孔分别同轴，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承和右轴承，左轴承和右轴承处于同轴位置。编码丝杆由测微丝杆和三态编码器组成。测微丝杆为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为de、ef、fg三段，de段和fg段为光轴，ef段是螺纹轴，螺纹外径大于de段和fg段的直径，de段光轴与左轴承配合，fg段光轴与右轴承配合，fg段光轴的右端带有手轮。编码三态器由齿盘、传感器支架、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。齿盘带有圆弧齿，共轴固定在测微丝杆的fg段光轴上，位于右轴承和手轮之间。传感器支架为一固定在机架上的矩形框架，其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和一个与矩形通孔垂直联通的螺纹孔。传感器支架将齿盘围在中间。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三角形突棱、上三角形突棱、右三角形突棱、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三角形突棱、上三角形突棱、右三角形突棱、下三角形突棱的棱顶分别与齿盘周边的圆弧齿保持接触，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，左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。上三角形突棱和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。左三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用h_max表示，右三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用h_min表示，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h_mid表示，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h_mid表示。h_mid与h_min和h_max之间存在式(1)表示的关系：

h_min、h_mid和h_max称为特征高度，其中h_min是最小特征高度，h_mid是平均特征高度，h_max是最大特征高度。限位导杆的结构分为左、中、右三段，中间段为沿杆轴线方向加工有U形导向限位槽的圆杆，左、右两段均为方轴，两方轴分别与左轴承支板和右轴承支板上的方孔配合，使限位导杆固定在左轴承支板和右轴承支板上，且U形导向限位槽方向朝上。双悬臂梁传感器由可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器组成。可动悬臂梁传感器的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₁,R₂]、嵌装在悬臂梁根部的传动螺母和固定在悬臂梁底部的限位销钉，可动悬臂梁传感器通过传动螺母与测微丝杆的配合和限位销钉与导向限位槽的配合安装在机架上，限位销钉与导向限位槽的配合使可动悬臂梁传感器不能转动，传动丝杆转动时，带动可动悬臂梁传感器沿测微丝杆的轴线方向移动。传动螺母与测微丝杆配合副采取消间隙措施，理论上认为测微丝杆改变旋转方向时，能够带动传动螺母无滞后地作反向移动。固定悬臂梁传感器的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的的右夹持顶针以及粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₃,R₄]，固定悬臂梁传感器固定在右轴承支板的顶部。可动悬臂梁传感器的变截面弹性梁和固定悬臂梁传感器的变截面弹性梁形状、尺寸和材料均相同，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。可动悬臂梁传感器与固定悬臂梁传感器处于对称位置，二者的自由端处在竖直向上的位置。左夹持顶针和右夹持顶针处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示。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ε_r表示。

标准器0由若干标准厚度块规组成，块规的下部带有定位键。各标准厚度块规的厚度值依次用δ₁，δ₂，...，δ_n表示，按δ₁＜δ₂,...,＜δ_n的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量。δ₁，δ₂，...，δ_n也用于表示厚度不同的各个标准厚度块规。各标准厚度块规的定位键厚度相等，用t表示。在标准厚度块规中任选一个，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ₀表示。δ₁、δ₂...，δ_n的算术平均值用

表示。

定位块DK为一具有规定长度的长方形块体。当定位块位于可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器之间，并且其长度方向的左右两个端面分别抵靠可动悬臂梁传感器根部的左侧面和固定悬臂梁传感器根部的右侧面时，左夹持顶针与右夹持顶针的间距s₀小于标准器的最小标准厚度值δ₁，即s₀＜δ₁。s₀定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距。

被测试件为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样等试样以及其它需要测量厚度的刚性机械零件。

标准器支座由两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器插槽，立柱底部加工有方条形定位插头。标准器插槽的宽度与标准厚度块规上定位键的厚度t相等。定位插头的宽度与第一定位槽的宽度相等。定位插头插入第一定位槽时，标准器插槽的纵向对称面与左夹持顶针和右夹持顶针的纵向对称面重合。

试件支座根据被测试件的形状和大小设计，由前、后两副支架构成，支架主体为一L形的平台，平台上部靠右侧加工有垂直定位面，平台下部的左侧和右侧分别带有支柱和定位柱。定位柱插入试件定位插槽时，垂直定位面位于右夹持顶针顶点的右侧，二者间的距离定义为传感器预设挠度，用符号w表示，w按以下条件确定：

式(2)中，δ₁是标准器的最小标准厚度值，δ_n是标准器的最大标准厚度值，s₀是基准距。

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。

编码丝杆是一个功能相对独立的机构，其测量原理及工作方式如下：

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测量电路的应变读数。

2)三态编码器测量电路零位调整：旋动手轮，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。跟踪观察

的变化，当

达到最小值ε_rmin时，停止旋动手轮，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ε_rmin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，则应变读数

均在最小值0和一个最大值ε_rmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱或上三角形突棱或右三角形突棱或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h_min，最大值ε_rmax对应于左三角形突棱或上三角形突棱或右三角形突棱或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h_max。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：完成零位四步调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数

的最大值ε_rmax、最小值0和平均值0.5ε_rmax。数字1与最大特征高度h_max对应，定义为满值。数字0与最小特征高度h_min对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度h_mid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

表2齿盘18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18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

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，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，起到监测齿盘旋转状态的作用。

4)测定可动悬臂梁传感器的位移量：旋动手轮，将可动悬臂梁传感器调整到测微丝杆上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器的位移原点，将此时齿盘的位置记作齿盘零位。旋动手轮，齿盘从零位开始转动，可动悬臂梁传感器随之从位移原点起发生位移。用S表示可动悬臂梁传感器相对于位移原点的位移量，用公式(3)计算S：

式(3)中，t表示测微丝杆的导程，N_c表示齿盘的齿数，n_z,s表示齿盘自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，n_z,n表示齿盘自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，n_z,s和n_z,n恒取正值。n_z表示n_z,s与n_z,n之差，定义为有效转动齿数。n_z,s、n_z,n和n_z也称为齿盘转动参数。n_z和S是代数量。齿盘顺时针转动时，可动悬臂梁传感器向右移动，n_z和S的符号均为“-”。齿盘逆时针转动时，可动悬臂梁传感器向左移动，n_z和S的符号均为“+”。

用双悬臂梁传感器和编码丝杆测量厚度的方法及操作步骤是：

1)三态编码器零位调整：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测量电路进行零位调整。

2)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块置于可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器之间。旋转手轮，将左夹持顶针与右夹持顶针的间距调整到基准距s₀。由数据采集-分析-处理单元将可动悬臂梁传感器的当前位置记作位移原点，将齿盘的当前位置记作齿盘零位。

3)测量系统标定：将电阻应变计[R₁,R₂]与[R₃,R₄]组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元。利用定位插头将标准器支座的两根立柱分别插入底板前、后两侧的第一定位槽。将标准器的标准块规δ₁，δ₂，...，δ_n依次插入标准器支座顶部的标准器插槽，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数ε_r1，ε_r2，...，ε_rn。以ε_r1，ε_r2，...，ε_rn为标定数，按厚度值δ与数据采集-分析-处理单元应变读数ε_r的函数关系，即式(4)计算厚度：

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表示标准厚度块规的个数，δ_i表示不同厚度标准厚度块规的厚度值，ε_ri表示与δ_i对应的应变读数，即标定数ε_r1，ε_r2，...，ε_rn。与基准厚度δ₀对应的标定数定义为基准应变示数，用符号ε_r0表示。

4)测量：将试件支座的定位柱插入第二定位槽，使试件支座在机架上就位。旋转手轮，调整可动悬臂梁传感器的位置，使顶针间距s大于被测试件SJ的厚度δ，数据采集-分析-处理单元同时以齿盘零位为基准，跟踪记录齿盘的转动参数，即n_z、n_z,s和n_z,n。将被测试件放到试件支座的平台上，使其右侧面贴靠垂直定位面34并且与右夹持顶针接触，使固定悬臂梁传感器产生挠曲变形，同时由电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄组成全桥测量电路有应变信号输出，记下此时数据采集-分析-处理单元的应变读数ε′_r。旋动手轮，使可动悬臂梁传感器移向被测试件，左夹持顶针与被测试件的左侧面接触后，继续调整可动悬臂梁传感器的位置，同时跟踪观察数据采集-分析-处理单元的应变读数ε_r，当ε_r＝ε′_r/2时，停止旋动手轮；用当前的应变读数ε_r和齿盘转动参数n_z、n_z,s、n_z,n，按以下方法计算被测试件(SJ)的厚度δ：

a)将ε_r代入式(4)，用δ^*表示计算结果，即

δ^*表示在可动悬臂梁传感器的位移量S＝0条件下测得的厚度。

b)将n_z、n_z,s、n_z,n代入式(3)，得到可动悬臂梁传感器的位移量S。

c)将δ^*和S代入式(8)，得到被测试件的厚度δ：

δ＝δ^*+S (8)

本设计具有以下特点：

1、测量范围宽。与现有的双悬臂梁式厚度测量仪相比，本设计通过编码丝杆与双悬臂梁传感器的组合运用实现厚度测量，其量程主要取决于测微丝杆与可动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厚度。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，乃至更大量程的厚度(长度)测量仪。

2、可以达到与现有双悬臂梁式厚度测量仪同等水平的分辨力。本设计的分辨力由编码丝杆与悬臂梁传感器两方面因素决定，在编码丝杆的分辨力≤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。可见，本设计可以具有双悬臂梁厚度测量仪的分辨能力。

3、具有“柔性等差输出”性质。在本设计的测量过程中，当可动悬臂梁传感器与固定悬臂梁传感器与被测试件接触后，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，调整可动悬臂梁传感器的位置使应变读数ε_r在基准应变示数ε_r0附近变化，可以看到，虽然ε_r和可动悬臂梁传感器的位移量S都在变化，但是由公式(8)给出的厚度值δ保持不变(δ是δ^*与代S的数和)。这个现象可以称为“柔性等差输出”，是编码丝杆与双悬臂梁传感器组合机构的一个重要性质。根据这一性质，在测量过程中，对于同一测量厚度δ，如果调整可动悬臂梁传感器使应变读数ε_r在一定范围内变化，则此范围内不同的应变读数由式(8)都给出同一个厚度测量结果δ。利用柔性等差输出性质，厚度测量时总可以在应变读数ε_r等于基准应变示数ε_r0的条件(即ε_r＝ε_r0)下完成。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误差，因为ε_r＝ε_r0意味着每次测量中双悬臂梁传感器的左、右两臂都有相同的工作点，即相同的弯曲变形和应变信号输出；二是有利于控制接触变形引起的误差，因为ε_r＝ε_r0意味着每次测量中两夹持顶针与被测试件的接触压力都和标定时夹持顶针与标准块规的接触压力相等。

4、模拟测量与数字测量相结合。本设计由双悬臂梁传感器和编码丝杆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。

5、标定方法简单。本设计测量装置的标定(校准)是一个二元基准传递过程，即丝杆副长度基准传递和双悬臂梁传感器长度基准传递。其中丝杆副长度基准传递由丝杆副加工及检验工艺保证。在丝杆副传动精度满足要求的前提下，用一组标准器在可动悬臂梁传感器全部移程的一个局部范围对测量系统进行标定，就可以保证全量程测量的准确性。因此，本设计只须配置一种尺寸规格的标准器，而且可以在使用现场随时对装置进行校准。

6、半自动数字化应用和全自动数字化应用均适合。测量主机以摇手轮方式测量，属半自动数字化测量。采用微机控制伺服马达替代手轮，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是标准器示意图；其中(a)是主视图，(b)是左视图；

图5是双悬臂梁传感器全桥测量电路示意图；

图6是三态编码器的测量电路，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7是测量装置处于测量状态的示意图；

图中：0.标准器，1.机架，2.左轴承，3.测微丝杆，4.限位导杆，5.限位销钉，6.U形导向限位槽，7.传动螺母，8.右轴承，9.可动悬臂梁传感器，10.左夹持顶针，11.右夹持顶针，12.固定悬臂梁传感器，13.传感器支架，14.右上悬臂梁传感器，15.圆弧齿，16.齿盘，17.手轮，18.左下悬臂梁传感器，19.右下悬臂梁传感器，21.左上悬臂梁传感器，22.左三角形突棱，23.上三角形突棱，24.右三角形突棱，25.下三角形突棱，26.矩形通孔，27.螺纹孔，28.紧定螺钉，29.标准器插槽，30.定位插头，31.第一定位槽，32.第二定位槽，33.平台，34.垂直定位面，35.支柱，36.定位柱，37.定位键，ZJ.测量主机，B.底板，B₁.左轴承支板，B₂.右轴承支板，SB.三态编码器，DK.定位块，SJ.被测试件，BZ.标准器支座，SZ.试件支座。

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7，本设计为测量材料试样厚度的方法及装置，包括测量主机ZJ、标准器0、定位块DK、被测试件SJ、标准器支架BZ、试件支架SZ和数据采集-分析-处理单元七部分。测量主机ZJ是基本测量装置，其余六部分与测量主机配合，组成测量系统。

测量主机ZJ由机架1、编码丝杆、限位导杆4和双悬臂梁传感器组成。机架1的结构包括底板B、固定在底板B上部的左轴承支板B₁和右轴承支板B₂。底板B上部加工有第一定位槽31和第二定位槽32，左轴承支板B₁、右轴承支板B₂、第一定位槽31和第二定位槽32相互平行，左轴承支板B₁和右轴承支板B₂各有一个圆形通孔和一个方形通孔，圆形通孔位于方形通孔上方，两圆形通孔处于同轴位置，两方形通孔也处于同轴位置，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承2和右轴承8。编码丝杆由测微丝杆3和三态编码器SB组成。测微丝杆3为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为de、ef、fg三段，de段和fg段为光轴，ef段是螺纹轴，螺纹外径大于de段和fg段的直径，de段光轴与左轴承2配合，fg段光轴与右轴承8配合，fg段光轴的右端带有手轮17。编码三态器SB由齿盘16、传感器支架13、左上悬臂梁传感器21、右上悬臂梁传感器14、左下悬臂梁传感器18、右下悬臂梁传感器19组成。齿盘16带有圆弧齿15，共轴固定在测微丝杆3的fg段光轴上，位于右轴承8和手轮17之间。传感器支架13为一固定在机架1上的矩形框架，其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26和一个与矩形通孔32垂直联通的螺纹孔27。传感器支架13将齿盘16围在中间。左上悬臂梁传感器21、右上悬臂梁传感器14、左下悬臂梁传感器18、右下悬臂梁传感器19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架13上的四个矩形通孔26配合，并利用紧定螺钉28的压紧力，固定于传感器支架13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16一侧分别加工有左三角形突棱22、上三角形突棱23、右三角形突棱24、下三角形突棱25。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三角形突棱22、上三角形突棱23、右三角形突棱24、下三角形突棱25的棱顶分别与齿盘16周边的圆弧齿15保持接触，接触点的具体位置按以下条件确定：

a.设齿盘16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16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，左三角形突棱22位于齿盘16的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触。右三角形突棱24位于齿盘16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15之间的谷底。上三角形突棱23和下三角形突棱25均位于齿盘16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。左三角形突棱22到齿盘16纵向对称线的距离用h_max表示，右三角形突棱24到齿盘16纵向对称线的距离用h_min表示，上三角形突棱23与正上方圆弧齿接触点到齿盘16水平对称线的距离用h_mid表示，下三角形突棱25与正下方圆弧齿接触点到齿盘16水平对称线的距离也用h_mid表示。h_mid与h_min和h_max之间存在式(1)表示的关系：

h_min、h_mid和h_max称为特征高度，其中h_min是最小特征高度，h_mid是平均特征高度，h_max是最大特征高度。限位导杆4的结构分为左、中、右三段，中间段为沿杆轴线方向加工有U形导向限位槽6的圆杆，左、右两段均为方轴，两方轴分别与左轴承支板B₁和右轴承支板B₂上的方孔配合，使限位导杆4固定在左轴承支板B₁和右轴承支板B₂上，且U形导向限位槽6方向朝上。双悬臂梁传感器由可动悬臂梁传感器9和固定悬臂梁传感器12组成。可动悬臂梁传感器9的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针10、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₁,R₂]、嵌装在悬臂梁根部的传动螺母7和固定在悬臂梁底部的限位销钉5，可动悬臂梁传感器9通过传动螺母7与测微丝杆3的配合和限位销钉5与导向限位槽6的配合安装在机架1上，限位销钉5与导向限位槽6的配合使可动悬臂梁传感器9不能转动，传动丝杆3转动时，带动可动悬臂梁传感器9沿测微丝杆3的轴线方向移动。传动螺母7与测微丝杆3配合副采取消间隙措施，理论上认为测微丝杆3改变旋转方向时，能够带动传动螺母7无滞后地作反向移动。固定悬臂梁传感器12的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的的右夹持顶针11以及粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₃,R₄]，固定悬臂梁传感器12固定在右轴承支板B₂的顶部。可动悬臂梁传感器9的变截面弹性梁和固定悬臂梁传感器12的变截面弹性梁形状、尺寸和材料均相同，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。可动悬臂梁传感器9与固定悬臂梁传感器12处于对称位置，二者的自由端处在竖直向上的位置。左夹持顶针10和右夹持顶针(11)处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示。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ε_r表示。传动螺母7与测微丝杆3的螺纹配合副、左轴承2与测微丝杆3左侧光轴(de段)的滑动配合副、右轴承8与测微丝杆3右侧光轴(fg段)的滑动配合副，左轴承2右端面与测微丝杆3左侧轴肩(端面e)的滑动配合副、右轴承8左端面与测微丝杆3右侧轴肩(端面f)的滑动配合，均对配合间隙采取适当的控制措施，以达到理论上可以认为可动悬臂梁传感器9在x-y坐标面内转角恒为零和沿x轴移动换向空回量为零的要求。

标准器0由若干标准厚度块规组成，块规的下部带有定位键37。各标准厚度块规的厚度值依次用δ₁，δ₂，...，δ_n表示，按δ₁＜δ₂,...,＜δ_n的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量。δ₁，δ₂，...，δ_n也用于表示厚度不同的各个标准厚度块规。各标准厚度块规的定位键厚度相等，用t表示。在标准厚度块规中任选一个，例如厚度居中者，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ₀表示。δ₁、δ₂...，δ_n的算术平均值用

表示。

定位块DK为一具有规定长度的长方形块体，规定长度的设计条件是：当定位块DK位于可动悬臂梁传感器9和固定悬臂梁传感器12之间，并且其长度方向的左右两个端面分别抵靠可动悬臂梁传感器9根部的左侧面和固定悬臂梁传感器12根部的右侧面时，左夹持顶针10与右夹持顶针11的间距s₀小于标准器的最小标准厚度值δ₁，即s₀＜δ₁。s₀定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距。

被测试件SJ为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样等试样以及其它需要测量厚度的刚性机械零件。

标准器支座BZ由两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器插槽29，立柱的下部加工有方条形定位插头30。标准器插槽29的宽度与标准厚度块规上定位键的厚度t相等，即二者的公称尺寸相等。定位插头30的宽度与第一定位槽31的宽度相等，即二者的工程尺寸相等。定位插头30插入第一定位槽时，标准器插槽29的纵向对称面与左夹持顶针10和右夹持顶针11的纵向对称面重合。

试件支座SZ根据被测试件的形状和大小设计，可以采用由前、后两副支架构成。图7是一个试件支座SZ的简单例子，在图中用虚线表示，第二定位槽32可以设置在轴承支板B₂附近，支架主体为一L形的用于放置试件的平台33，平台33上部靠右侧加工有垂直定位面34，平台33下部的左侧和右侧分别带有支柱35和定位柱36。试件支座并不限于上述结构，但无论采用何种结构，该试件支座SZ均应满足的设计要点是：定位柱36插入第二定位槽32时，垂直定位面34位于右夹持顶针11顶点的右侧，二者间的距离定义为传感器预设挠度，用符号w表示，w按以下条件确定：

式(2)中，δ₁是标准器的最小标准厚度值，δ_n是标准器的最大标准厚度值，s₀是基准距。

数据采集-分析-处理单元简称数控器(未在图中画出)，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，测量软件中含有标定程序和测量程序，标定程序和测量程序的算法思路均是按照本发明的具体标定和测量方法即可获得。数控器的基本成机方式有三种。一是做为厚度测量装置的专用配套仪器，进行设计；二是利用具有电阻应变测试功能的普通虚拟测量仪器，为其加装根据本设计编制的厚度测量软件；三是将测量装置与材料试验机集成，在试验机的数控系统中加入厚度测量软件，由此也使材料试验机增加试样尺寸测量功能。

编码丝杆是一个功能相对独立的机构，其测量原理及工作方式如下：

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测量电路的应变读数。

2)三态编码器测量电路零位调整：旋动手轮17，齿盘16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16上相邻两个圆弧齿15的齿顶间距。齿盘16每转过一个齿，即一个周期T，应变读数

分别完成一次循环。跟踪观察

的变化，当

达到最小值ε_rmin时，停止旋动手轮17，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ε_rmin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16，则应变读数

均在最小值0和一个最大值ε_rmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱22或上三角形突棱23或右三角形突棱24或下三角形突棱25处在正对相邻两圆弧齿15之间的谷底位置，即对应最于小特征高度h_min，最大值ε_rmax对应于左三角形突棱22或上三角形突棱23或右三角形突棱24或下三角形突棱25处在与圆弧齿15顶点接触的位置，即对应于最大特征高度h_max。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ε_rmax、最小值0和平均值0.5ε_rmax。数字1与最大特征高度h_max对应，定义为满值。数字0与最小特征高度h_min对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度h_mid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16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16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

表2齿盘18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18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

从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘16旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘16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16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，均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘16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16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16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，起到监测齿盘16旋转状态的作用。

4)测定可动悬臂梁传感器的位移量：旋动手轮17，将可动悬臂梁传感器9调整到测微丝杆3上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器9的位移原点，将此时齿盘16的位置记作齿盘零位。旋动手轮17，齿盘从零位开始转动，可动悬臂梁传感器9随之从位移原点起发生位移。用S表示可动悬臂梁传感器9相对于位移原点的位移量，用公式(3)计算S：

式(3)中，t表示测微丝杆3的导程，N_c表示齿盘16的齿数，n_z,s表示齿盘16自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，n_z,n表示齿盘16自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，n_z,s和n_z,n恒取正值。n_z表示n_z,s与n_z,n之差，定义为有效转动齿数。n_z,s、n_z,n和n_z也称为齿盘转动参数。n_z和S是代数量。齿盘16顺时针转动时，可动悬臂梁传感器9向右移动，n_z和S的符号均为“-”。齿盘16逆时针转动时，可动悬臂梁传感器9向左移动，n_z和S的符号均为“+”。

用双悬臂梁传感器与编码丝杆测量厚度的方法及操作步骤是：

1)三态编码器零位调整：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。

2)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块DK置于可动悬臂梁传感器9和固定悬臂梁传感器12之间。旋转手轮17，将左夹持顶针10与右夹持顶针11的间距调整到基准距s₀。由数据采集-分析-处理单元将可动悬臂梁传感器9的当前位置记作位移原点，将齿盘16的当前位置记作齿盘零位。

3)测量系统标定：将电阻应变计[R₁,R₂]与[R₃,R₄]组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元。利用定位插头30将标准器支座BZ的两根立柱分别插入底板B前、后两侧的第一定位槽31。将标准器0的标准块规δ₁，δ₂，...，δ_n依次插入标准器支座BZ顶部的标准器插槽29，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数ε_r1，ε_r2，...，ε_rn。以ε_r1，ε_r2，...，ε_rn为标定数，按厚度值δ与数据采集-分析-处理单元应变读数ε_r的函数关系，即式(4)计算厚度：

式(4)中，A和B是常数，分别用公式(5)和(6)计算：

式(4)是用线性拟合方法推导得出的。式(5)和(6)中，n表示标准厚度块规的个数，δ_i表示不同厚度标准厚度块规的厚度值，ε_ri表示与δ_i对应的应变读数，即标定数ε_r1，ε_r2，...，ε_rn。与基准厚度δ₀对应的标定数定义为基准应变示数，用符号ε_r0表示。

4)测量：将试件支座SZ的定位柱36插入第二定位槽32，使试件支座SZ在机架1上就位。旋转手轮17，调整可动悬臂梁传感器9的位置，使顶针间距s大于被测试件SJ的厚度δ，数据采集-分析-处理单元同时以齿盘零位为基准，跟踪记录齿盘16的转动参数，即n_z、n_z,s和n_z,n。将被测试件SJ放到试件支座SZ的平台33上，使其右侧面贴靠垂直定位面34并且与右夹持顶针11接触，使固定悬臂梁传感器产生挠曲变形，同时由电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄组成全桥测量电路有应变信号输出，记下此时数据采集-分析-处理单元的应变读数ε′_r。旋动手轮17，使可动悬臂梁传感器9移向被测试件SJ，左夹持顶针10与被测试件SJ的左侧面接触后，继续调整可动悬臂梁传感器的位置，同时跟踪观察数据采集-分析-处理单元的应变读数ε_r，当ε_r＝ε′_r/2时，停止旋动手轮17；用当前的应变读数ε_r和齿盘转动参数n_z、n_z,s、n_z,n，按以下方法计算被测试件SJ的厚度δ：

a)将ε_r代入式(4)，用δ^*表示计算结果，即

b)将n_z、n_z,s、n_z,n代入式(3)，得到可动悬臂梁传感器9的位移量S。

c)将δ^*和S代入式(8)，得到被测试件SJ的厚度δ：

δ＝δ^*+S (8)

测量软件的算法设计，根据以上所述测量系统的构造、工作原理和测量方法进行。

Claims (1)

1.测量材料试样厚度的装置，其特征是，该装置包括测量主机(ZJ)、标准器(0)、定位块(DK)、被测试件(SJ)、标准器支架(BZ)、试件支架(SZ)和数据采集-分析-处理单元七部分；

测量主机(ZJ)由机架(1)、编码丝杆、限位导杆(4)和双悬臂梁传感器组成；机架(1)的结构包括底板(B)、竖直固定在底板(B)上的左轴承支板(B₁)和右轴承支板(B₂)；底板(B)上加工有相互平行的第一定位槽(31)和第二定位槽(32)；左轴承支板(B₁)和右轴承支板(B₂)各有一个圆形通孔和一个方形通孔，圆形通孔位于方形通孔上方，两圆形通孔和两方形通孔分别同轴，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承(2)和右轴承(8)，左轴承(2)和右轴承(8)处于同轴位置；编码丝杆由测微丝杆(3)和三态编码器(SB)组成；测微丝杆(3)为一螺纹台阶轴，其结构从左到右分为de、ef、fg三段，de段和fg段为光轴，ef段是螺纹轴，螺纹外径大于de段和fg段的直径，de段光轴与左轴承(2)配合，fg段光轴与右轴承(8)配合，fg段光轴的右端带有手轮(17)；三态编码器(SB)由齿盘(16)、传感器支架(13)、左上悬臂梁传感器(21)、右上悬臂梁传感器(14)、左下悬臂梁传感器(18)、右下悬臂梁传感器(19)组成；齿盘(16)周向均布有若干圆弧齿(15)，共轴固定在测微丝杆(3)的fg段光轴上，位于右轴承(8)和手轮(17)之间；传感器支架(13)为一固定在机架(1)上的矩形框架，其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(26)和一个与矩形通孔(32)垂直联通的螺纹孔(27)；传感器支架(13)将齿盘(16)围在中间；左上悬臂梁传感器(21)、右下悬臂梁传感器(19)、右上悬臂梁传感器(14)、左下悬臂梁传感器(18)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架(13)上的四个矩形通孔(26)配合，并利用紧定螺钉(28)的压紧力，固定于传感器支架(13)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(16)一侧分别加工有左三角形突棱(22)、右三角形突棱(24)、上三角形突棱(23)、下三角形突棱(25)；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三角形突棱(22)、上三角形突棱(23)、右三角形突棱(24)、下三角形突棱(25)的棱顶分别与齿盘(16)周边的圆弧齿(15)保持接触，接触点的具体位置按以下条件确定：

a.设齿盘(16)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(16)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，左三角形突棱(22)位于齿盘(16)的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；右三角形突棱(24)位于齿盘(16)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(15)之间的谷底；上三角形突棱(23)和下三角形突棱(25)均位于齿盘(16)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(15)的右侧接触；左三角形突棱(22)到齿盘(16)纵向对称线的距离用h_max表示，右三角形突棱(24)到齿盘(16)纵向对称线的距离用h_min表示，上三角形突棱(23)与正上方圆弧齿接触点到齿盘(16)水平对称线的距离、及下三角形突棱(25)与正下方圆弧齿接触点到齿盘(16)水平对称线的距离均用h_mid表示；h_mid与h_min和h_max之间存在式(1)表示的关系：

h_min、h_mid和h_max称为特征高度，其中h_min是最小特征高度，h_mid是平均特征高度，h_max是最大特征高度；限位导杆(4)的结构分为左、中、右三段，中间段为沿杆轴线方向加工有U形导向限位槽(6)的圆杆，左、右两段均为方轴，两方轴分别与左轴承支板(B₁)和右轴承支板(B₂)上的方孔配合，使限位导杆(4)固定在左轴承支板(B₁)和右轴承支板(B₂)上，且U形导向限位槽(6)方向朝上；双悬臂梁传感器由可动悬臂梁传感器(9)和固定悬臂梁传感器(12)组成；可动悬臂梁传感器(9)的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端右侧的左夹持顶针(10)、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₁,R₂]、嵌装在悬臂梁根部的传动螺母(7)和固定在悬臂梁底部的限位销钉(5)，可动悬臂梁传感器(9)通过传动螺母(7)与测微丝杆(3)的配合和限位销钉(5)与导向限位槽(6)的配合安装在机架(1)上，限位销钉(5)与导向限位槽(6)的配合使可动悬臂梁传感器(9)不能转动，传动丝杆(3)转动时，带动可动悬臂梁传感器(9)沿测微丝杆(3)的轴线方向移动；传动螺母(7)与测微丝杆(3)配合副采取消间隙配合，当测微丝杆(3)改变旋转方向时，能够带动传动螺母(7)无滞后地作反向移动；固定悬臂梁传感器(12)的结构包括变截面弹性梁、固定在弹性梁自由端左侧的的右夹持顶针(11)以及粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₃,R₄]，固定悬臂梁传感器(12)固定在右轴承支板(B2)的顶部；可动悬臂梁传感器(9)的变截面弹性梁和固定悬臂梁传感器(12)的变截面弹性梁形状、尺寸和材料均相同，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；可动悬臂梁传感器(9)与固定悬臂梁传感器(12)处于对称位置，二者的自由端处在竖直向上的位置；左夹持顶针(10)和右夹持顶针(11)处于共轴位置，二者的顶点间距用s表示；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ε_r表示；

标准器(0)由若干标准厚度块规组成，块规的下部带有定位键(37)；各标准厚度块规的厚度值依次用δ₁，δ₂，...，δ_n表示，按δ₁＜δ₂,...,＜δ_n的顺序排列，n≥2，表示标准块规的数量；δ₁，δ₂，...，δ_n也用于表示厚度不同的各个标准厚度块规；各标准厚度块规的定位键厚度相等，用t表示；在标准厚度块规中任选一个，将其定义为基准规，基准规的厚度值定义为基准厚度，用δ₀表示；δ₁、δ₂…，δ_n的算术平均值用表示；

定位块(DK)为一具有规定长度的长方形块体；当定位块(DK)位于可动悬臂梁传感器(9)和固定悬臂梁传感器(12)之间，并且其长度方向的左右两个端面分别抵靠可动悬臂梁传感器(9)根部的左侧面和固定悬臂梁传感器(12)根部的右侧面时，左夹持顶针(10)与右夹持顶针(11)的间距s₀小于标准器的最小标准厚度值δ₁，即s₀＜δ₁；s₀定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距；

被测试件(SJ)为材料力学性能试验用的板试样、弧形截面试样或其它需要测量厚度的刚性机械零件；

标准器支座(BZ)由两根形状和尺寸相同的立柱构成，立柱顶部加工有标准器插槽(29)，立柱底部加工有方条形定位插头(30)；标准器插槽(29)的宽度与标准厚度块规上定位键的厚度t相等；定位插头(30)的宽度与第一定位槽(31)的宽度相等；定位插头(30)插入第一定位槽时，标准器插槽(29)的纵向对称面与左夹持顶针(10)和右夹持顶针(11)的纵向对称面重合；

试件支座(SZ)由前、后两副支架构成，支架主体为一平台(33)，平台(33)上部靠右侧加工有垂直定位面(34)，平台(33)下部的左侧和右侧分别带有支柱(35)和定位柱(36)；定位柱(36)插入第二定位槽(32)时，垂直定位面(34)位于右夹持顶针(11)顶点的右侧，二者间的距离定义为传感器预设挠度，用符号w表示，w按以下条件确定：

式(2)中，δ₁是标准器的最小标准厚度值，δ_n是标准器的最大标准厚度值，s₀是基准距；

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，所述的测量软件是按照下述的测量方法和思路实现；

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测量电路的应变读数；

2)三态编码器测量电路零位调整：旋动手轮(17)，齿盘(16)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(16)上相邻两个圆弧齿(15)的齿顶间距；齿盘(16)每转过一个齿，即一个周期T，应变读数

分别完成一次循环；跟踪观察

的变化，当

达到最小值ε_rmin时，停止旋动手轮(17)，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ε_rmin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(16)，则应变读数

均在最小值0和一个最大值ε_rmax之间循环变化，最小值0对应于左三角形突棱(22)或上三角形突棱(23)或右三角形突棱(24)或下三角形突棱(25)处在正对相邻两圆弧齿(15)之间的谷底位置，即对应最于小特征高度h_min，最大值ε_rmax对应于左三角形突棱(22)或上三角形突棱(23)或右三角形突棱(24)或下三角形突棱(25)处在与圆弧齿(15)顶点接触的位置，即对应于最大特征高度h_max；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ε_rmax、最小值0和平均值0.5ε_rmax；数字1与最大特征高度h_max对应，定义为满值；数字0与最小特征高度h_min对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度h_mid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(16)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(16)的旋转状态，即旋转方向和旋转角度；

4)测定可动悬臂梁传感器的位移量：旋动手轮(17)，将可动悬臂梁传感器(9)调整到测微丝杆(3)上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器(9)的位移原点，将此时齿盘(16)的位置记作齿盘零位；旋动手轮(17)，齿盘从零位开始转动，可动悬臂梁传感器(9)随之从位移原点起发生位移；用S表示可动悬臂梁传感器(9)相对于位移原点的位移量，用公式(3)计算S：

式(3)中，t表示测微丝杆(3)的导程，N_c表示齿盘(16)的齿数，n_z,s表示齿盘(16)自齿盘零位起顺时针累计转过的齿数，n_z,n表示齿盘(16)自齿盘零位起逆时针累计转过的齿数，n_z,s和n_z,n恒取正值；n_z表示n_z,s与n_z,n之差，定义为有效转动齿数；n_z,s、n_z,n和n_z也称为齿盘转动参数；n_z和S是代数量；齿盘(16)顺时针转动时，可动悬臂梁传感器(9)向右移动，n_z和S的符号均为“-”；齿盘(16)逆时针转动时，可动悬臂梁传感器(9)向左移动，n_z和S的符号均为“+”；

用悬臂梁传感器与编码丝杆测量厚度的方法及操作步骤是：

1)三态编码器零位调整：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；

2)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块(DK)置于可动悬臂梁传感器(9)和固定悬臂梁传感器(12)之间；旋转手轮(17)，将左夹持顶针(10)与右夹持顶针(11)的间距调整到基准距s₀；由数据采集-分析-处理单元将可动悬臂梁传感器(9)的当前位置记作位移原点，将齿盘(16)的当前位置记作齿盘零位；

3)测量系统标定：将电阻应变计[R₁,R₂]与[R₃,R₄]组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元；利用定位插头(30)将标准器支座(BZ)的两根立柱分别插入底板(B)前、后两侧的第一定位槽(31)；将标准器(0)的标准块规δ₁，δ₂，...，δ_n依次插入标准器支座(BZ)顶部的标准器插槽(29)，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数ε_r1，ε_r2，…，ε_rn；以ε_r1，ε_r2，…，ε_rn为标定数，按厚度值δ与数据采集-分析-处理单元应变读数ε_r的函数关系，即式(4)计算厚度：

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表示标准厚度块规的个数，δ_i表示不同厚度标准厚度块规的厚度值，ε_ri表示与δ_i对应的应变读数，即标定数ε_r1，ε_r2，…，ε_rn；与基准厚度δ₀对应的标定数定义为基准应变示数，用符号ε_r0表示；

4)测量：将试件支座(SZ)的定位柱(36)插入第二定位槽(32)，使试件支座(SZ)在机架(1)上就位；旋转手轮(17)，调整可动悬臂梁传感器(9)的位置，使顶针间距s大于被测试件(SJ)的厚度δ，数据采集-分析-处理单元同时以齿盘零位为基准，跟踪记录齿盘(16)的转动参数，即n_z、n_z,s和n_z,n；将被测试件(SJ)放到试件支座(SZ)的平台(33)上，使其右侧面贴靠垂直定位面(34)并且与右夹持顶针(11)接触，使固定悬臂梁传感器产生挠曲变形，同时由电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄组成全桥测量电路有应变信号输出，记下此时数据采集-分析-处理单元的应变读数ε_r′；旋动手轮(17)，使可动悬臂梁传感器(9)移向被测试件(SJ)，左夹持顶针(10)与被测试件(SJ)的左侧面接触后，继续调整可动悬臂梁传感器的位置，同时跟踪观察数据采集-分析-处理单元的应变读数ε_r，当ε_r＝ε_r′/2时，停止旋动手轮(17)；用当前的应变读数ε_r和齿盘转动参数n_z、n_z,s、n_z,n，按以下方法计算被测试件(SJ)的厚度δ：

a)将ε_r代入式(4)，用δ^*表示计算结果，即

b)将n_z、n_z,s、n_z,n代入式(3)，得到可动悬臂梁传感器(9)的位移量S；

c)将δ^*和S代入式(8)，得到被测试件(SJ)的厚度δ：

δ＝δ^*+S (8)。

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