CN114563113A - 空心谐振式应力组件及应力计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心谐振式应力组件及应力计，空心谐振式应力组件设计成了空心球式谐振敏感结构，可以感应所受外应力的大小；并将空心谐振式应力组件预埋入灌封体，通过交流电磁铁激励，激光测振仪进行响应测试，可实现对灌封体内部应力的无线无源测试；应力计结构响应输出采用光学激光测振方法进行测试，避免其它电学类结构响应测试传感器(如压电加速度传感器、电容位移类传感器等)易受电磁铁磁场干扰的问题；信号发生器扫频输入参考信号与激光测振仪输出信号进行锁相分析，可避免干扰，提高测试信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及应力计技术领域，尤其涉及一种空心谐振式应力组件及应力计。
背景技术
粘接剂固化过程会产生内应力，针对灌封体内应力的测试，一般采用预埋应变片的方式开展测试，但预埋应变片时，一般只能将应变片粘贴到特别设计的机械结构上，以明确应变片粘贴方向，并通过引线引出测试。然后与数值模拟结果相比较，验证计算模型，开展相关研究工作。
在岩土结构领域，开展内应力测试采用了一种空心包体应力测试技术，空心包体应力计是基于套孔应力解除法测量地应力的方法，在测量实施过程中，会对被测结构打孔，埋入空心包体应力计并粘胶固化，然后取出包含应力计的岩芯，进行应力解除操作，然后弹性理论求解岩土应力值。
一类圆筒谐振式压力传感器结构如下图所示，当对圆筒内侧施加压力时，圆筒表面的张力就会增加，并且圆筒的固有振动频率就会提高，通过自激振荡电路进行结构固有频率的测试。
上述现有技术的问题在于：
1、采用在灌封体表面设置应变片的方式，无法获得灌封体内部的应力状态。
2、空心包体应力计尺寸较大，仅适用于岩土测试等大尺度领域，对于小尺度无法植入使用。
3、圆筒谐振式压力传感器可以精确测得气体内压，但无法用于固体内应力测量。
另外，灌封体内应力的测试比较困难，直接将应变片或光纤光栅埋入灌封体的测试方法，由于敏感元件在三个空间方向都会受到体应力作用，测试解耦难度大，测试误差也较大。
因此需要研发出一种空心谐振式应力组件及应力计来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种空心谐振式应力组件及应力计。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
空心谐振式应力组件，包括：
应力壳；应力壳形成为中空球体；
永磁体；永磁体设置在应力壳中心；
多个共振板；永磁体通过多个共振板与应力壳内壁连接。
进一步地，共振板为两个，两个共振板设置在同一平面。
优选地，应力壳和共振板均为交流电磁场易穿透的材料制成。
优选地，应力壳和共振板均为铍青铜材料制成。
优选地，永磁体为钕铁硼材料制成。
应力计，包括：
空心谐振式应力组件；空心谐振式应力组件预埋入灌封体内部；
交流电磁铁；灌封体安装于交流电磁铁所产生的交变磁场内部；
信号发生器；信号发生器的信号输出端与交流电磁铁的信号输入端连接；
激光测振仪；激光测振仪用于检测灌封体的结构位移。
进一步地，空心谐振式应力计还包括功率放大器，信号发生器的扫频信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的激励信号输出端与交流电磁铁的信号输入端连接。
进一步地，空心谐振式应力计还包括锁相放大器；激光测振仪的响应信号输出端与锁相放大器的第一信号输入端连接，信号发生器的参考信号输出端与锁相放大器的第二信号输入端连接。
本发明的有益效果在于：
1、基于谐振式应力计原理，空心谐振式应力组件设计成了空心球式谐振敏感结构，可以感应所受外应力的大小；并将空心谐振式应力组件预埋入灌封体，通过交流电磁铁激励，激光测振仪进行响应测试，可实现对灌封体内部应力的无线无源测试；
2、在共振板中心设置永磁体，以受外界交流电磁场作用，可以提高应力计谐振频率测试信噪比；
3、应力壳及共振板采用铍青铜材料制作，具备优良力学性能的同时，也能使得交流电磁场更容易穿透作用于永磁体；
4、结构响应输出采用光学激光测振方法进行测试，避免其它电学类结构响应测试传感器(如压电加速度传感器、电容位移类传感器等)易受电磁铁磁场干扰的问题；
5、信号发生器扫频输入参考信号与激光测振仪输出信号进行锁相分析，可避免干扰，提高测试信噪比；
6、空心谐振式应力组件采用金属材料加工，在灌封过程中，特性不会发生显著变化，受干扰小，属于绝对内应力测试。
附图说明
图1为本发明中空心谐振式应力组件的结构示意图；
图2为本发明中应力计的应用示意图；
图3为应力计模态分析及外应力-一阶共振频率关系示意图。
图中：1、空心谐振式应力组件；11、应力壳；12、永磁体；13、共振板；2、灌封体；3、交流电磁铁；4、功率放大器；5、信号发生器；6、锁相放大器；7、激光测振仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，示出了一种空心谐振式应力组件1，包括：
应力壳11；应力壳11形成为中空球体；
永磁体12；永磁体12设置在应力壳11中心；
两个尺寸相同的共振板13；两个共振板13设置在同一平面，永磁体12通过两个共振板13与应力壳11内壁连接，永磁体12置于两个共振板13的中间，并分别与两个共振板13的第一端连接，两个共振板13的第二端与应力壳11内壁连接。
在一些实施例中，应力壳11和共振板13均为铍青铜材料制成。相对于不锈钢材料，更有利于交流磁场穿透。
在一些实施例中，永磁体12为钕铁硼材料制成。
使用时候，应力壳11受到外力作用时，将对共振板13产生作用力，共振板13受力时，其共振频率将发生变化。
在一些实施例中，如图2所示，示出了一种应力计，包括：
空心谐振式应力组件1；空心谐振式应力组件1预埋入灌封体2内部；
交流电磁铁3；灌封体2安装于交流电磁铁3所产生的交变磁场内部；
信号发生器5；
激光测振仪7；激光测振仪7用于检测灌封体2的结构位移。
功率放大器4；信号发生器5的扫频信号输出端与功率放大器4的信号输入端连接，功率放大器4的激励信号输出端与交流电磁铁3的信号输入端连接。
锁相放大器6；激光测振仪7的响应信号输出端与锁相放大器6的第一信号输入端连接，信号发生器5的参考信号输出端与锁相放大器6的第二信号输入端连接。
在测试使用时，将空心谐振式应力组件1预埋入灌封体2内部。根据永磁体12磁极预埋方向，在灌封体2置于交流电磁铁3所产生的交变磁场内部，交流磁场穿透灌封体2及应力壳11作用到永磁体12上，共振板13产生结构响应，导致整个灌封体2产生响应，整体响应通过激光测振方法测得结构位移响应，避免电学类响应测试方法受电磁铁磁场的干扰。信号发生器5产生的正弦扫频信号通过功率放大器4加载于交流电磁铁3，同时信号发生器5的参考信号进入锁相放大器6，与激光测振仪7测得的响应信号进行锁相相关分析以提高信噪比，控制噪声干扰。
按图1所示的空心谐振式应力组件1，在受围压作用时，其外压与应力计一阶共振频率的关系如图3所示。应力计外表面受压应力时，一阶共振频率减少；受拉应力时，一阶共振频率增大，且具有较好的线性关系，灵敏度系数为-84.629Hz/MPa。在实际使用过程中，可通过围压加载装置进行标定。
空心谐振应力计埋入灌封体2后，如果受力为单轴压力，则在不同方向上的压力将产生不同的一阶共振频率改变效果。沿共振板13中心轴方向的压应力，将导致一阶共振频率升高，灵敏度系数为-49.8Hz/MPa；沿共振板13面平行方向的压应力，将导致一阶共振频率降低，灵敏度系数为24.59Hz/MPa。在实际使用过程中，可通过单轴加载装置进行标定。
如需要获得三个单轴方向的应力水平，由于空心谐振式应力计不同方向上受力对共振频率的影响灵敏度各有不同，在实际应用场合中，则应在相同条件的研究对象的相同位置，至少设置三个不同分别垂直朝向的空心谐振式应力计，根据不同方向上的灵敏度参数，联立方程求解或建立有限元计算模型迭代求解出三个方向上分别的应力水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.空心谐振式应力组件，其特征在于，包括：
应力壳；应力壳形成为中空球体；
永磁体；永磁体设置在应力壳中心；
多个共振板；永磁体通过多个共振板与应力壳内壁连接。
2.根据权利要求1所述的空心谐振式应力组件，其特征在于，共振板为两个，两个共振板设置在同一平面。
3.根据权利要求1所述的空心谐振式应力组件，其特征在于，应力壳和共振板均为交流电磁场易穿透的材料制成。
4.根据权利要求3所述的空心谐振式应力组件，其特征在于，应力壳和共振板均为铍青铜材料制成。
5.根据权利要求1所述的空心谐振式应力组件，其特征在于，永磁体为钕铁硼材料制成。
6.应力计，其特征在于，包括：
如权利要求1-5任一项所述的空心谐振式应力组件；空心谐振式应力组件预埋入灌封体内部；
交流电磁铁；灌封体安装于交流电磁铁所产生的交变磁场内部；
信号发生器；信号发生器的信号输出端与交流电磁铁的信号输入端连接；
激光测振仪；激光测振仪用于检测灌封体的结构位移。
7.根据权利要求6所述的应力计，其特征在于，空心谐振式应力计还包括功率放大器，信号发生器的扫频信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的激励信号输出端与交流电磁铁的信号输入端连接。
8.根据权利要求6所述的应力计，其特征在于，空心谐振式应力计还包括锁相放大器；激光测振仪的响应信号输出端与锁相放大器的第一信号输入端连接，信号发生器的参考信号输出端与锁相放大器的第二信号输入端连接。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114563113B (zh) | 2023-11-21 |
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Legal Events
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