CN204269090U - 采用多位移传感器的空间位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种采用多位移传感器的空间位移测量装置。三台位移传感器分别通过力传感器固定在支撑结构底座上，支撑结构支承框架的特定位置留有预留孔；三条钢丝绳一端共同固定在测点上，另一端分别通过相应的预留孔与各自的位移传感器连接，位移传感器和力传感器通过数据线连接到无纸记录仪上。本实用新型在实现在测量位移的同时，可测量位移传感器受到的外力，对设备实现监测，提高了测量的可靠性。采用本实用新型提供的计算公式可以通过位移传感器的测量值，求出测点的空间位置，从而得到测点的空间位移。本实用新型突破了目前位移传感器的单方向一维测量，实现了测点的空间三维测量。本实用新型原理清晰、结构简单、性能稳定。

Description

采用多位移传感器的空间位移测量装置

技术领域

本实用新型涉及位移测量装置，特别涉及一种在建筑结构耐火试验中使用的采用多位移传感器的空间位移测量装置。

背景技术

目前的位移测量装置都是使用一个位移传感器测量一个测点。根据位移传感器的测量原理，该装置只能测量该测点的特定方向的位移，即一维位移。受限于位移传感器的维度不足，在实际使用中，一般都是选取待测量物体待测点一个主要的位移方向进行测量。

在建筑结构耐火试验中发现，大多数情况下结构的破坏形式是按照设计的方式进行，即结构沿着设定的主要方向由于强度不足引起了破坏；不过同时发现，有时破坏的形式并未按照设定的主要方向发展，而是沿着其他方向产生破坏，即结构上认为的失稳破坏形式。现有的测量方式无法测出非选取方向的位移，从而无法反映出各种情况下的真实位移情况，为后续的结构分析带来了不足。

发明内容

鉴于现有位移测量装置存在的不足，本实用新型提供一种采用多位移传感器的空间位移测量装置。该装置适用于建筑结构耐火试验中对测点空间三维位移进行测量。

本实用新型为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种采用多位移传感器的空间位移测量装置，其特征在于：包括挂钩/磁钩、钢丝绳、支撑结构、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第一力传感器、第二力传感器、第三力传感器、无纸记录仪和数据线；所述的支撑结构由一块底板和焊接在底板上的支承框架构成；第一力传感器、第二力传感器和第三力传感器水平间隔固定在支承框架上，三台力传感器测量面分别固定第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器，三台位移传感器的测量端各连接一条钢丝绳；三条钢丝绳分别从支撑结构的支承框架上的预留孔中穿过，并通过挂钩/磁钩固定到需要测量的测点上；第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器、第一力传感器、第二力传感器和第三力传感器通过数据线分别接到无纸记录仪上。

本实用新型的测量方法是：所述的第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器共同测量一个测点的位移，并通过以下算法进行空间三维位移求解：

假设测量试件上的测点为P，将所述空间位移测量装置放置在测量平台上，在空间上选取P以外任一点为坐标系O点，建立坐标轴，此时P点坐标为(x,y,z)；在坐标系中选取不在一条直线上的A、B、C三点，作为支撑结构支承框架上的三个钢丝绳预留孔，其坐标分别为(x_a,y_a,z_a)、(x_b,y_b,z_b)、(x_c,y_c,z_c)；设A所在位置为坐标系原点O，设AB、AC的距离均为b，试验开始之前，首先测量出AP、BP、CP的距离分别为r_A，r_B，r_C，则有方程组：

x²+y²+z²＝r_A ²

(x-b)²+y²+z²＝r_B ²

x²+y²+(z-b)²＝r_C ²----------------------(1)

对方程组(1)进行求解，可得测点P的坐标为：

$x=\frac{{r_A}^2-{r_B}^2+b^2}{2b}$

$y=\sqrt{-\frac{{r_A}^4}{{2b}^2}-\frac{{r_B}^4}{{4b}^2}-\frac{{r_C}^4}{{4b}^2}+\frac{{r_A}^2{r_B}^2}{{2b}^2}+\frac{{r_A}^2{r_C}^2}{{2b}^2}+\frac{{r_B}^2}{2}+\frac{{r_C}^2}{2}-\frac{b^2}{2}}$

$z=\frac{{r_A}^2-{r_C}^2+b^2}{2b}---\left(2\right)$

当t时刻时，测点P发生移动，到达P`点时，坐标为(x`,y`,z`)，此时A、B、C距离测点P的距离分别变化了Δr_A、Δr_B、Δr_C；此时测点P`满足以下方程组：

x`<sup>2</sup>+y`²+z`²＝(r_A+Δr_A)²

(x`-b)<sup>2</sup>+y`²+z`²＝(r_B+Δr_B)²

x`<sup>2</sup>+y`²+(z`-b)²＝(r_C+Δr_C)²----------------------(3)

对方程组(3)求解，可得测点P`的坐标为：

$x`=\frac{{(r_A+\mathrm{\&Delta;}{r}_A)}^2-{(r_B+\mathrm{\&Delta;}{r}_B)}^2+b^2}{2b}$

$y`=\sqrt{-\frac{{(r_4+\mathrm{\&Delta;}{r}_A)}^4}{{2b}^2}-\frac{{(r_B+\mathrm{\&Delta;}{r}_B)}^4}{{4b}^2}-\frac{{(r_C+\mathrm{\&Delta;}{r}_C)}^4}{{4b}^2}+\frac{{(r_A+\mathrm{\&Delta;}{r}_A)}^2{(r_B+\mathrm{\&Delta;}{r}_B)}^2}{{2b}^2}+\frac{{(r_A+\mathrm{\&Delta;}{r}_A)}^2{(r_C+\mathrm{\&Delta;}{r}_C)}^2}{{2b}^2}+\frac{{(r_B+{\mathrm{\&Delta;r}}_B)}^2}{2}+\frac{{(r_C+{\mathrm{\&Delta;r}}_C)}^2}{2}-\frac{b^2}{2}}$

$z`=\frac{{(r_A+{\mathrm{\&Delta;r}}_A)}^2-{(r_C+{\mathrm{\&Delta;r}}_C)}^2+b^2}{2b}---\left(4\right)$

通过公式(4)可以求得，测点的三维方向的位移分别为：

Δx＝x`-x

Δy＝y`-y

Δz＝z`-z----------------------------------(5)

在试验开始时，打开无纸记录仪记录各位移传感器的信号，同时监测力传感器的数值，确保设备处于正常工作状态；试验结束后，将采集到的数据从无纸记录仪中传输到计算机中，依据公式(2)、公式(4)和公式(5)，即求出测点的空间三维位移值。

本实用新型所产生的有益效果是：相对于目前测量方式只能实现单一方向，即一维位移测量，本实用新型实现测点空间三维位移的测量，更真实的反映出测点的位移情况；同时由于同时测得三维位移，这样既可以对试件在进行强度分析的同时，又进行稳定性分析，提高了位移测量的数据量和应用范围；每个位移传感器底部都固定在拉力传感器上，可以实现对位移测量过程中拉力变化的监测，从而对测量的准确性作出评估，明显提高了测量数据的可靠性。采用本实用新型提供的计算公式可以通过位移传感器的测量值，求出测点的空间位置，从而得到测点的空间位移。可以应用于建筑结构耐火试验领域；本实用新型原理清晰、结构简单、性能稳定。

附图说明

图1为本实用新型的空间位移测量装置结构示意图；

图2为本实用新型的空间位移测量装置数学模型示意图；

图3为本实用新型的空间位移测量装置计算原理示意图；

图4为本实用新型的实施例依据XOY平面内测量的测点结果求解后绘制的(x,y)图形；

图5为本实用新型的实施例依据XOZ平面内测量的测点结果求解后绘制的(x,z)图形；

图6为本实用新型的实施例依据YOZ平面内测量的测点结果求解后绘制的(y,z)图形。

具体实施方式

为了更清楚理解本实用新型，以下结合附图和实施例进行详细描述：

参照图1，本空间位移测量装置包括挂钩/磁钩1、钢丝绳2、支撑结构3、第一位移传感器4、第二位移传感器5、第三位移传感器6、第一力传感器7、第二力传感器8、第三力传感器9、无纸记录仪10和数据线11；支撑结构3由一块底板3.1和焊接在底板3.1上的支承框架3.2构成；第一力传感器7、第二力传感器8和第三力传感器9水平间隔固定在支承框架3.2上，三台力传感器测量面分别固定第一位移传感器4、第二位移传感器5和第三位移传感器6，三台位移传感器的测量端各连接一条钢丝绳2；三条钢丝绳2分别从支撑结构3的支承框架3.2上的预留孔3.3中穿过，并通过挂钩/磁钩1固定到需要测量的测点上；第一位移传感器4、第二位移传感器5、第三位移传感器6、第一力传感器7、第二力传感器8和第三力传感器9通过数据线11分别接到无纸记录仪10上。

本空间位移测量装置支撑结构3的支承框架3.2上的钢丝绳预留孔3.3在空间呈三角形分布。

在测点上通过挂钩/磁钩同时连接三根钢丝绳，每一根钢丝绳分别穿过支撑结构支承框架特定位置的预留孔，与位移传感器相连；位移传感器通过力传感器固定在支撑结构框架上。当测点发生移动时，连接到测点上的各条钢丝绳同时带动各自连接的位移传感器移动，得到测点相对于每个位移传感器预留孔位置的绝对位移分量。

参照图2，假设耐火试验试件背火面测点为P，在空间上选取P以外任一点为坐标系O点，建立坐标轴，此时P点坐标为(x,y,z)。在坐标系中选取不在一条直线上的A、B、C三点，作为支撑结构支承框架上的三个钢丝绳预留孔，其坐标分别为(x_a,y_a,z_a)、(x_b,y_b,z_b)、(x_c,y_c,z_c)。A、B、C距离测点P的距离分别为r_a、r_b、r_c。

在几何角度可以认为，P点是球心在A、B、C三点，半径分别为r_a、r_b、r_c的三个空间球面的一个交点。三维直角坐标系公式可以求得，测点P的坐标满足以下方程组：

(x-x_a)²+(y-y_a)²+(z-z_a)²＝r_a ²

(x-x_b)²+(y-y_b)²+(z-z_b)²＝r_b ²

(x-x_c)²+(y-y_c)²+(z-z_c)²＝r_c ²

当测点P发生移动，到达P`点时，坐标为(x`,y`,z`)，此时A、B、C距离测点P的距离分别变化了Δr_a、Δr_b、Δr_c。此时测点P`满足以下方程组：

(x`-x<sub>a</sub>)<sup>2</sup>+(y`-y_a)²+(z`-z_a)²＝(r_a+Δr_a)²

(x`-x<sub>b</sub>)<sup>2</sup>+(y`-y_b)²+(z`-z_b)²＝(r_b+Δr_b)²

(x`-x<sub>c</sub>)<sup>2</sup>+(y`-y_c)²+(z`-z_c)²＝(r_c+Δr_c)²

可求得测点沿坐标轴X、Y、Z的位移分量分别为：

Δx＝x`-x

Δy＝y`-y

Δz＝z`-z

通过上述模型可以看出，只要A、B、C三点不在一条直线上，则可作为坐标基准点进行测量。但是在实际求解中发现，当A、B、C三点均分布在同一坐标平面内、一个点在坐标原点、另外两个点在坐标轴上，且三个点围成一个等边直角三角形时(如图3所示)，求解公式较简单，所以本实用新型的空间位移测量装置结构以此种A、B、C布置方式为基础进行设计。

在进行消防领域的结构耐火试验，尤其是钢结构防火涂料的耐火试验时，试验对象是涂刷了防火涂料的长6米的I36钢梁，钢梁的两端简支；钢梁的顶部不受火，其余三个面受火。按照相关标准要求，需要测量试验过程中钢梁中心点的位移。

实际测试中，给定的实验条件为：环境温度为20℃，连接装置选用直径0.8mm的304不锈钢丝绳，测点距离参考平面的距离约为2300mm，选用量程为500mm、精度为0.1mm的拉线式位移传感器，品牌型号为米朗MPS-S-1000mm-mA；选用16通道彩色无纸记录仪，型号为TRD-TJ8716。

首先验证XOY平面内的测量结果：

将测量结果进行求解，测点结果绘制(x,y)图形，得到结果如图4所示。

第二，验证XOZ平面内的测量结果：

将测量结果进行求解，测点结果绘制(x,z)图形，得到结果如图5所示。

第三，验证YOZ平面内的测量结果：

将测量结果进行求解，测点结果绘制(y,z)图形，得到结果如图6所示。

测试验证证明了测点空间三维位移测量的理论清晰准确，求解方法准确，实际测试结果理想，具有使用价值。

根据上述说明，结合本行业实际情况可实现本实用新型方案。

Claims (2)

1.一种采用多位移传感器的空间位移测量装置，其特征在于：包括挂钩/磁钩（1）、钢丝绳（2）、支撑结构（3）、第一位移传感器（4）、第二位移传感器（5）、第三位移传感器（6）、第一力传感器（7）、第二力传感器（8）、第三力传感器（9）、无纸记录仪（10）和数据线（11）；所述的支撑结构（3）由一块底板（3.1）和焊接在底板（3.1）上的支承框架（3.2）构成；第一力传感器（7）、第二力传感器（8）和第三力传感器（9）水平间隔固定在支承框架（3.2）上，三台力传感器测量面分别固定第一位移传感器（4）、第二位移传感器（5）和第三位移传感器（6），三台位移传感器的测量端各连接一条钢丝绳（2）；三条钢丝绳（2）分别从支撑结构（3）的支承框架（3.2）上的预留孔（3.3）中穿过，并通过挂钩/磁钩（1）固定到需要测量的测点上；第一位移传感器（4）、第二位移传感器（5）、第三位移传感器（6）、第一力传感器（7）、第二力传感器（8）和第三力传感器（9）通过数据线（11）分别接到无纸记录仪（10）上。

2.根据权利要求1所述的采用多位移传感器的空间位移测量装置，其特征在于：所述支撑结构（3）的支承框架（3.2）上的钢丝绳预留孔（3.3）在空间呈三角形分布。