CN116592753A - 一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，包括主轴，在主轴上下端分别设有定位机构、主轴底脚；定位机构与悬臂上端连接，悬臂下端与拉杆一端连接，拉杆另一端与副轴连接，在副轴上设有副轴底脚；在面向主轴一侧的悬臂上设置一片应变计作为正应变输出，背向主轴一侧的悬臂上设置一片应变计作为负应变输出，由两片应变计组成惠斯登电桥的半桥。通过应变计粘贴在悬臂上，减小测量数据的时间漂移。对不同的被测对象，选择温度系数适合的材料制作定位机构、拉杆和两个底脚，减小测量数据的温度漂移。作为长期监测大型结构及设备、大型桥梁的重要部位的不同指标的应力应变传感器，为大型场景的智能化应用提供前端支持。

Description

一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置

技术领域

本发明涉及惠斯登电桥测量技术。具体说是应用于大型钢结构、大型机械设备、大型桥梁的应力应变检测。

背景技术

用粘贴在大型结构表面的应变计测量大型结构的应力应变是最常用的测量方法，应用广泛。这种测量方法适合一次性测量或短时间测量，对于几年以上的长时间测量，其测量的稳定性还需要进一步提高。

对于长期测量而言，在大型结构表面粘贴应变计需要解决两大问题，一是温度稳定性问题，二是时间稳定性问题。这两个缺一不可，否则，测量的数据随着时间的延长和温度的变化漂移量增大，甚至达到不可用的程度。

大型结构表面粘贴应变计虽然能够解决一些温度稳定性问题，例如增加相同材质的温度补偿块，粘贴相同的应变计，放在相同温场内，连接惠斯登电桥的负输出端进行温度补偿。但是解决时间稳定性问题比较困难，因为大型结构无法按照应变传感器高温固化工艺粘贴应变计，只能用常温胶在大型结构现场粘贴应变计，目前的常温胶和现场粘贴应变计工艺很难做到长期稳定。

也有用稳定的应变传感器安装在大型结构表面，这样可以代替在大型结构表面粘贴应变计，进而解决时间稳定性问题。可是温度稳定性问题又凸显出来。

温度稳定性主要是大型结构受温度的影响会产生变形，它与受力变形混合在一起。温度影响的变形量与受力变形量相比可以达到相同数量级。

应变传感器安装方法一般是在合适的距离内，用两个柱脚将应变传感器测量方向的两端与大型结构的表面连接在一起，用这种方式组成的框架结构来测量大型结构的应力应变。对于应变传感器成品，几乎都做了温度补偿，但是它补偿的是传感器本身的温度漂移，用以保证在其温度范围内测量的应变量不随温度的变化而变化。对于大型结构的变形，其应变量作为输入信号加载到传感器，传感器将输入信号转换为输出信号。对于大型结构的应变量是受力产生的还是受温度影响产生的很难区分出来。

长期监测大型结构表面的应力应变，也有一些其它的原理和方法，例如光纤光栅测量方法、振弦测量方法等，虽然稳定性比较好，但是与惠斯登电桥应变测量方法相比测量精度较差，甚至相差一个数量级。如果能够解决用惠斯登电桥测量大型结构的稳定性问题，就可以高精度、长期稳定地监测大型结构表面的应力应变。

发明内容

鉴于上述现状，本发明旨在解决大型结构应力应变长期测量中的温度稳定性和时间稳定性问题，而提供一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置。

本发明采用如下技术方案来实现的：一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，包括主轴，在主轴上下端分别设有定位机构、主轴底脚；定位机构与悬臂上端连接，悬臂下端与拉杆一端连接，拉杆另一端与副轴连接，在副轴上设有副轴底脚；在面向主轴一侧的悬臂上设置一片应变计作为正应变输出，背向主轴一侧的悬臂上设置一片应变计作为负应变输出，由两片应变计组成惠斯登电桥的半桥。

本发明中，所述应变计通过粘贴固定在悬臂上端。

本发明中，所述悬臂的长度方向与主轴的轴向平行。

本发明中，所述拉杆长度方向的中心线分别与悬臂长度方向的中心线和主轴轴向中心线垂直相交。

本发明中，所述副轴轴向垂直于副轴底脚底平面，副轴底脚底平面与主轴底脚底平面重合。

本发明中，所述应变计敏感栅的方向与悬臂的长度方向平行。

本发明中，由悬臂、拉杆、副轴、副轴底脚及应变计组合成一个测量单元。

本发明中的应变计属外购产品；型号：BE1000-2AA(11)-L30；电阻值：1000.5±0.5欧；灵敏系数：2.13±1%。或是选用有同样参数的其它的应变计同样适用。

本发明测量装置的结构设计原则是：测量装置延着主轴底脚、副轴底脚的中心连线方向受力时，除悬臂以外的结构件的变形总量与悬臂的变形量相比忽略不计。“忽略不计”指的是控制在允许的测量误差范围之内。

测量装置的材料设计原则是：定位机构、拉杆和两个底脚材料的温度系数与被测大型结构的温度系数相同或相近。“相近”指的是温度影响产生的误差控制在允许的测量误差范围之内。悬臂材料符合应变传感器工艺要求。本发明不涉及应变传感器工艺，不做具体说明。

本发明的有益效果是：利用测量装置安装在大型结构上，与大型结构的被测部位一起组成了新的传感器。这个新的传感器输入的物理量是大型结构被测部位的应力应变值，输出的物理量是惠斯登电桥的输出电压值。可以称为大型结构被测部位的应力应变传感器。本发明的测量装置可安装在大型结构、大型设备、大型桥梁的重要部位，组成各种不同指标、适合长期监测的应力应变传感器。为众多大型场景的智能化应用提供前端支持。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为图1设置多个测量单元实施例。

具体实施方式

下面将结合附图实施例对本发明作进一步说明。

见图1所示的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，包括主轴1，在主轴1上下端分别设有定位机构3、主轴底脚2。本发明中，主轴轴向垂直于主轴底脚底平面。定位机构3与悬臂7上端连接，使悬臂7的长度方向与主轴1的轴向平行。所述悬臂7下端与拉杆8一端连接，拉杆8长度方向的中心线分别与悬臂7长度方向的中心线和主轴1轴向中心线垂直相交。拉杆8另一端与副轴9连接，在副轴9上设有副轴底脚10。所述副轴9轴向垂直于副轴底脚10底平面，副轴底脚10底平面与主轴底脚2底平面重合。本发明中，在所述悬臂7上设有应变计4。本发明中，所述应变计4包括一片作为正应变输出的敏感栅5和一片作为负应变输出的敏感栅6。本实施例是在面向主轴1一侧的悬臂7上设置一片应变计敏感栅5作为正应变输出，背向主轴1一侧的悬臂7上设置一片应变计敏感栅6作为负应变输出，由两片应变计组成惠斯登电桥的半桥。本发明中，由悬臂7、拉杆8、副轴9、副轴底脚10及应变计4组合成一个测量单元。本发明用于大型结构的应力应变检测。

上述中，所述应变计4通过粘贴固定在悬臂7上端。应变计4用高温固化胶粘贴在悬臂7的两面，放进高温箱进行固化。具体工艺与应变传感器工艺相同。

上述中，所述应变计敏感栅的方向与悬臂7的长度方向平行。

上述中所述主轴1、主轴底脚2、定位机构3、悬臂7、拉杆8、副轴9、副轴底脚10用数控机床加工。面向不同的应用场景，各零部件尺寸的选择符合上述“测量装置的结构设计原则”，各零部件材料的选择符合上述“测量装置的材料设计原则”和应变传感器工艺要求。

本发明中，主轴1和主轴底脚2用螺纹（图中未示意）连接，主轴1底平面与主轴底脚2的上平面紧密接触，确保主轴底脚2底平面与主轴1轴线垂直，水平方向没有角度限制。副轴9和副轴底脚10的连接与主轴1和主轴底脚2连接方法相同。主轴1与定位机构3用螺纹连接，主轴1上端平面与定位机构3下端平面紧密接触，确保主轴1轴线与定位机构3立面凹槽内平台的平面平行，水平方向没有角度限制。定位机构3与悬臂7用螺钉连接，通过定位机构3的立面凹槽内平台的平面与悬臂7上的立面平面紧密接触，定位机构3的立面凹槽防止悬臂7扭转，确保悬臂7长度方向与主轴1轴线方向平行。悬臂7与拉杆8的连接，根据选用材料的性质符合要求，可以加工成一体，否则通过螺钉连接。拉杆8与副轴9通过螺纹连接，通过副轴9上的螺纹可以调整拉杆与副轴底脚底平面的距离，保证主轴底脚2与副轴底脚10的底平面重合。所有连接点调整完成后再用防松胶加固处理。

上述中，主轴底脚2、副轴底脚10底部加工有螺纹孔，用于在标准设备上的标定。

上述中，主轴底脚2、副轴底脚10与大型结构的连接方式，可以采用焊接方式、胶粘方式、永磁吸力方式均可。

上述中，在安装运输时防止主轴底脚2、副轴底脚10之间位置相对移动，用加工的专用卡具将底脚固定，安装完成后再拆卸卡具。

为了增加防护等级，可以在主轴底脚2、副轴底脚10上面安装外壳，原则是不能影响底脚位移。也可以将测量装置安装后加装防护罩。

本发明的工作原理是：以大型结构被测平面作为水平面表述。主轴底脚2底平面、副轴底脚10底平面分别固定在大型结构11表面延被测方向的两点上。当大型结构受力变形时，主轴1与副轴9之间产生水平位移。副轴10带动拉杆8，通过拉杆8带动悬臂7下端水平移动。根据上述“测量装置的结构设计原则”，悬臂7下端水平移动的距离与主轴1、副轴9两轴间的中心距之比，就是被测量的应变值。悬臂7下端水平移动使悬臂7发生弯曲，应变计4的敏感栅5一个被拉伸，电阻值变大，变化量是正值；另一个敏感栅6被压缩，电阻值变小，变化量是负值。组成惠斯登电桥的半桥后，两个电阻变化量相减，总的变化量是单一应变计4的二倍。电阻的变化转变成惠斯登电桥上电压的变化。最终，被测的应变值转化为惠斯登电桥输出的电压值。

进一步地，解决时间稳定性问题。悬臂7的材料工艺和应变计4的指标符合应变传感器的高温粘贴工艺要求，保证了测量装置的时间稳定性。

进一步地，解决温度稳定性问题。在水平方向，主轴底脚2、定位机构3、拉杆7、副轴底脚10在拉杆8长度方向形成温度敏感单元，温度敏感单元垂直向下投影，落在主轴底脚2、副轴底脚10两轴中心距的投影就是温度敏感单元的有效长度。温度敏感单元的有效长度与大型结构被测量的长度相同，根据上述“测量装置的材料设计原则”，两个长度在任何温度下变形量相同，没有长度差。悬臂7不会随温度的变化发生弯曲，惠斯登电桥不会输出随温度变化的电压值。在垂直方向，没有要求主轴1、副轴9和悬臂7的温度系数相同或相近，随着温度变化，悬臂7会在垂直方向被拉伸或压缩。悬臂7的伸缩使粘贴在悬臂7上的两片应变计的电阻一起增大或减小。组成惠斯登电桥的半桥后，两个电阻变化量相减，互相抵消，总的变化量为零，惠斯登电桥没有随温度变化的电压输出。保证了测量装置的温度稳定性。因此，利用测量装置安装在大型结构表面，长期测量大型结构的应力应变值，改善测量数据的时间漂移和温度漂移，提高长期测量的稳定性。

见图2给出了图1设置多个测量单元实施例。它是在图1结构的基础上，做了相应的变化。所不同的是在定位机构3的垂直方向加工三个平面，在定位机构3的三个平面上分别设置第一测量单元Ⅰ、第二测量单元Ⅱ、第三测量单元Ⅲ组成的三个测量单元（由悬臂、拉杆、副轴、副轴底脚和应变计组合后称为一个测量单元），使三个测量单元分布在同一个水平面上，并且以主轴1圆心为顶点，在定位机构3水平面上互相形成0°、45°、90°夹角分布，或者120°夹角均布。这样可以测量最大主应力、最小主应力和主应力方向与定义的参考坐标轴之间的夹角。其它结构与图1相同。

上述中，实现最大应力、最小应力和夹角的测量。利用定位机构3上设置的三个测量单元连接在一起组成的测量装置，安装在大型结构表面。测量装置的尺寸远小于大型结构被测面的尺寸，测量装置可以等效为应变计的应变花片。根据力学原理，具有三个测量单元的测量装置可以测量大型结构的最大应力、最小应力和夹角。对应于三个测量单元的角度分布不同，都有相应的最大应力、最小应力和夹角的计算公式。本发明提供了有效的前端模拟信号。

本发明测量单元，根据应用范围设置：

1、当需要测量确定方向的应变和应力变化时，可以采用一个测量单元沿轴向安装定位机构上，测量加载过程中待测物的应力和应变变化过程，判断是否达到设计的要求。

2、当需要测量两个轴向（0度和90度）的应变和应力变化时，可以通过将两个测量单元连接在一起组成双轴测量装置，可以同时测量某一位置两个方向在加载过程中的受力和应变变化过程。

3、当需要测量一些受力复杂的待测物部位，很难判断受力主方向，可以通过三个测量单元（如图2）连接在一起组成的测量装置，测量三个方向应变，通过计算得到该位置的主应力、剪应力、主应力方向、等效应力等参数。

因此，可根据不同侧量要求来选定配置测量单元。

Claims (7)

1.一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，包括主轴，在主轴上下端分别设有定位机构、主轴底脚；定位机构与悬臂上端连接，悬臂下端与拉杆一端连接，拉杆另一端与副轴连接，在副轴上设有副轴底脚；在面向主轴一侧的悬臂上设置一片应变计作为正应变输出，背向主轴一侧的悬臂上设置一片应变计作为负应变输出，由两片应变计组成惠斯登电桥的半桥。

2.根据权利要求1所述的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，所述应变计通过粘贴固定在悬臂上端。

3.根据权利要求1所述的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，所述悬臂的长度方向与主轴的轴向平行。

4.根据权利要求1所述的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，所述拉杆长度方向的中心线分别与悬臂长度方向的中心线和主轴轴向中心线垂直相交。

5.根据权利要求1所述的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，所述副轴轴向垂直于副轴底脚底平面，副轴底脚底平面与主轴底脚底平面重合。

6.根据权利要求1所述的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，所述应变计敏感栅的方向与悬臂的长度方向平行。

7.根据权利要求1所述的一种测量大型结构应力应变的温度自适应式测量装置，其特征是，由悬臂、拉杆、副轴、副轴底脚及应变计组合成一个测量单元。