CN215262940U

CN215262940U - 一种精准测定碰撞恢复系数的装置

Info

Publication number: CN215262940U
Application number: CN202121464089.9U
Authority: CN
Inventors: 黄志来; 姜建建; 张如燕; 王彪
Original assignee: Anhui University of Technology AHUT
Current assignee: Anhui University of Technology AHUT
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2031-06-28

Abstract

本实用新型公开了一种精准测定碰撞恢复系数的装置，属于材料性能测试技术领域。它包括主体机构、释放机构和信号采集处理机构，所述主体机构包括基座、调节杆和斜梁，基座设有调节杆，调节杆端部通过斜梁安装释放机构。信号采集处理机构包括设于释放机构上的第一应变片、设于基座上的第二应变片、数据采集卡和计算机，应变片均分别与数据采集卡连接后再与计算机电连接，依次用于对信号进行采集、处理并计算。本实用新型结构简单，成本低廉，满足了不同层次人员的使用需求，并且实验时能有效避免环境因素的干扰，采集的数据精确，数据处理简单，可高效，精准的测定物体碰撞恢复系数。

Description

一种精准测定碰撞恢复系数的装置

技术领域

本实用新型属于材料性能测试技术领域，更具体地说，涉及一种精准测定碰撞恢复系数的装置。

背景技术

碰撞恢复系数是用于表征碰撞过程中由于碰撞体法向相对运动所带来的能量耗散效应，它只与碰撞物体的材料有关，其定义为碰撞前后两物体接触点的法向相对分离速度与法向相对接近速度的比值。而测定物体碰撞的碰撞恢复系数的难点在于，物体下落后的碰撞过程是非常快的，总时间跨度只有几秒钟，相邻的两次碰撞间隔则以毫秒计，难以准确获得物体反弹上升阶段的最高点及落下碰撞的初始点位置。为了能够精确地捕捉到物体的位姿，普通相机帧频显然难以满足该实验，传统上测量时一般使用高速相机。

如，中国专利申请号为：201710556066.2，申请日为：2017年7月10号，发明创造名称为：一种物体碰撞恢复系数的非接触式测量方法。该申请案的方法包括以下步骤：1)构建高速相机摄影测量网络，包括高速相机的布设、照明光源的布设、高速相机参数的标定、平面标志的安放以及控制点测量；2)同步获取在碰撞试验中待测物体的实时序列影像；3)采用椭圆识别与定位方法确定目标点的初始影像坐标，同时通过跟踪匹配获取目标点的序列影像坐标；4)基于标定后的高速相机参数和控制点坐标，采用基于序列影像的整体光束法平差获取目标点的序列三维空间坐标；5)根据目标点的序列三维空间坐标获取待测物体在碰撞试验中的位移数据，并计算获取待测物体的碰撞恢复系数。虽然能够有效提高测量精度，但是基于高速相机的实验造价过于昂贵，不适用于大面积推广，难以满足各个行业的需求。同时，该申请案的操作也较为繁琐。

为进一步降低测量成本，也有人采用声波传感器测定碰撞恢复系数，如中国专利申请号为：201610887586.7，申请日为：2016年10月12日，发明创造名称为：一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的装置。该申请案的装置包括底座、支架、横梁、碰撞球、碰撞板、声音传感器、采集卡和计算机；所述碰撞板和支架固定在底座上，横梁安装在支架上，且横梁位于碰撞板上方，碰撞球嵌在横梁上，声音传感器设置在碰撞板旁边且靠近碰撞球下落的位置，所述声音传感器、采集卡与计算机依次连接；所述碰撞球与碰撞板分别采用不同的碰撞材料制成。虽然该申请案在其说明书部分提及可以精确获得碰撞恢复系数，但是其不可避免地仍存在以下弊端：

(1)对测量环境有一定的要求，较大的噪声会生成干扰数据；

(2)该方法无法计算第一次碰撞时的碰撞恢复系数；

(3)若下一次碰撞与上次碰撞的时间间隔极短，则两次碰撞的声波会有重叠区域，使声音的强度加大，进而收集到无效数据。

因此，设计一种成本经济，且能够在相对复杂环境下精确测定物体碰撞恢复系数的测量装置尤为重要。

实用新型内容

1.要解决的问题

本实用新型的目的在于克服现有对物体碰撞恢复系数进行测量时，收集数据不精准、实验成本昂贵、操作步骤繁琐等不足，提供了一种精准测定碰撞恢复系数的装置。采用本实用新型的技术方案能够有效解决上述问题，成本经济，能够在相对复杂的环境下精确测定碰撞恢复系数。

2.技术方案

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

本实用新型的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，包括主体机构、释放机构和信号采集处理机构，所述主体机构包括基座、调节杆和斜梁，所述基座一侧边固定安装有调节杆，所述调节杆端部通过斜梁安装有释放机构；所述信号采集处理机构包括应变片、数据采集卡和计算机，所述应变片包括设于释放机构上的第一应变片和设于基座上的第二应变片，且第一应变片和第二应变片均分别通过数据传输线与数据采集卡电连接，所述数据采集卡与计算机电连接，依次用于对信号进行采集、处理并计算得到测试球的碰撞恢复系数。

更进一步的，所述主体机构还包括设于基座上的立柱，第二应变片设于立柱侧壁，且立柱上方放置有测试板，测试板底部与立柱顶部接触。

更进一步的，所述立柱包括多个，其在基座上成“十”字型分布，且每个立柱的侧壁均粘贴有第二应变片。

更进一步的，所述释放机构包括释放装置，所述第一应变片粘贴在释放装置底部。

更进一步的，所述释放装置上设置有延迟装置，用于定时自动控制测试球的夹持与释放。

更进一步的，所述基座为“凹”字型结构，其通过两个对称设置的竖直侧板围绕形成容纳腔，所述立柱安装于容纳腔底部；基座的两个竖着侧板内壁上对称加工有滑槽，测试板两侧对应加工有与该滑槽相匹配的滑块。

更进一步的，所述斜梁顶部沿其长度方向加工有矩形槽，用于放置测试球。

更进一步的，所述调节杆包括外杆和内杆，外杆和内杆通过螺纹相连。

更进一步的，所述基座底部设有带制动装置的万向轮。

3.有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，包括主体机构、释放机构和信号采集处理机构，通过对其整体结构进行优化设计，尤其是在释放机构及主体机构上分别设置应变片，采集两端信号数据，最终经计算机计算得到碰撞恢复系数。本实用新型的装置结构简单，操作方便，且收集数据较为精准，成本相对低廉，增大了实验开展的可能性，极大地满足了不同层次、不同行业的使用需求。

(2)本实用新型的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，通过立柱及其分布进行优化设计，便于合理分布设置第二应变片，从而便于采集测试球下落碰撞时的应变信号。同时，将基座设计成“凹”字型结构，便于安装测试板，操作简单，设计合理，成本较低。

(3)本实用新型的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，通过设置调节杆，并对调节杆的具体结构进行设计，采用外杆螺纹套接内杆的方式，实现了调节杆长度的调节，从而便于改变测试球的下落高度，有利于多次测量，提高测试结果的准确性。此外，本实用新型的装置，数据采集稳定，难以被环境因素干扰，有效的避免了无效数据的生成，数据精度高，计算结果更加精确。

(4)本实用新型的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，基座底部还设有带制动装置的万向轮，从而便于移动整个装置，使用起来较为便捷。采用本实用新型的装置进行测定碰撞恢复系数时，耗时短，原理清晰，数据处理简单，不需要像传统测试方案那样，测量测试球每次弹起的最大高度，求出碰撞前后的瞬时速度，本方法只需要从应变-时间曲线上简单算出波峰间的时间间隔，就能求出每次的碰撞恢复系数，操作简便且准确性高。

附图说明

图1为本实用新型的一种精准测定碰撞恢复系数的装置的整体结构示意图；

图2为本实用新型的信号采集处理机构的连接示意图；

图3为图1中局部A的放大结构示意图；

图4为本实用新型的第二应变片的分布示意图；

图5为图4中局部B的放大结构示意图；

图6为本实用新型装置生成的应变-时间曲线。

图中：

1、基座；2、调节杆；3、斜梁；4、第一应变片；5、数据采集卡；6、计算机；7、第二应变片；8、立柱；9、测试板；10、万向轮；11、释放装置；12、测试球；13、容纳腔；14、矩形槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。

实施例1

如图1-6所示，本实施例的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，包括主体机构、释放机构和信号采集处理机构，所述主体机构包括基座1、调节杆2和斜梁3，所述基座1一侧边固定安装有调节杆2，所述调节杆2端部通过斜梁3安装有释放机构。所述信号采集处理机构包括应变片、数据采集卡5和计算机6，所述应变片包括设于释放机构上的第一应变片4和设于基座1上的第二应变片7，且第一应变片4和第二应变片7均分别通过数据传输线与数据采集卡5电连接，所述数据采集卡5与计算机6电连接，依次用于对信号进行采集、处理并计算得到测试球12的碰撞恢复系数。本实用新型通过对装置整体结构进行优化设计，通过应变片的设置，采集两端信号数据，从而可以精准收集数据，提高检测的精度，同时，本实用新型的装置结构简单，操作方便，成本相对低廉，增大了实验开展的可能性，极大地满足了不同层次、不同行业的使用需求。

如图1、图4及图5所示，所述主体机构还包括设于基座1上的圆柱形立柱8，第二应变片7设于立柱8侧壁，且立柱8上方放置有测试板9，测试板9底部与立柱8顶部接触，通过将测试板9与立柱8顶部接触，从而能够有效提高信号检测的精度。具体的，所述基座1为“凹”字型结构，包括水平底板及两相对竖直侧板组成，且通过两个对称设置的竖直侧板围绕形成容纳腔13，所述立柱8安装于容纳腔13底部(也即水平底板顶部)。同时，基座1的两个竖着侧板内壁上对称加工有滑槽，测试板9两侧对应加工有与该滑槽相匹配的滑块，通过滑槽和滑块的相互配合，从而便于安装和拆卸测试板9，操作简单，设计合理，成本较低。更优化的，所述立柱8包括多个，其在基座1上成“十”字型分布，呈圆形阵列、均匀分布，且每个立柱8的侧壁均粘贴有第二应变片7，且最好能将第二应变片7竖直向下粘贴，可以有效提高采集的信号强度。通过对立柱8的分布进行优化设计，能够进一步提高数据收集的准确性。

所述调节杆2包括外杆和内杆，外杆和内杆通过螺纹相连。外杆内腔加工有螺纹，内杆表面加工与有外杆内腔螺纹相匹配的螺纹，二者通过螺纹实现连接，通过采用外杆螺纹套接内杆的方式，实现了调节杆2长度的调节，从而便于改变测试球12的下落高度，有利于多次测量，数据采集稳定，难以被环境因素干扰，有效的避免了无效数据的生成，从而提高了测试结果的准确性。所述斜梁3顶部沿其长度方向加工有矩形槽14，用于放置测试球12。

所述释放机构包括释放装置11，所述第一应变片4粘贴在释放装置11底部，且释放装置11上设置有延迟装置，用于定时自动控制测试球12的夹持与释放，可以用于定时控制测试球12的夹持与释放，操作便捷。此外，基座1底部还设有带制动装置的万向轮10，从而便于移动整个装置，使用起来较为便捷。

采用上述装置测定物体碰撞恢复系数的方法，其具体操作步骤如下：

(1)首先将若干个第一应变片4均匀粘贴在释放装置11底面边缘位置，将若干个第二应变片7分别粘贴在每个立柱8侧面；将应变片、数据采集卡5和计算机6通过数据线依次连接好；将测试板9推入滑槽内；将调节杆2调节至需要的高度；将测试球12放入斜梁3的矩形槽14，测试球12滚入释放装置11容腔内，由延时装置夹紧；

(2)经过延时装置设定的时间之后，测试球12被释放，向下运动并撞击在测试板9上，测试球12反复弹起直至静止；

(3)数据采集卡5将通过应变片采集到的两段信号发送至计算机6，计算机6生成应变-时间曲线；

(4)根据实验采集的数据，使用以下公式测定待测物体的碰撞恢复系数e：运动学恢复系数(e)：碰撞后瞬时速度v_n与碰撞前瞬时速度v_n-1的比值：

对于自由落体的测试球12与测试板9碰撞，不计空气阻力，取重力加速度g，设相邻两次碰撞的时间间隔为Δt_i，则有：

小球第一次碰撞前的瞬时速度：v₁＝g·Δt₀，(Δt₀为第一次下落的时间)

第一次碰撞后的瞬时速度：v₂＝0.5g·Δt₁

所以：

第一次碰撞之后，测试球12的碰撞恢复系数：

最后求e的平均值:

工作原理具体为：通过设置第一应变片4，第二应变片7及数据采集卡5，当测试球12从释放装置11下落时，振动使得第一应变片4产生细微的机械变形，数据采集卡5通过第一应变片4采集数据并传输到计算机6，生成一段应变-时间曲线；当测试球12向下坠落与测试板9发生猛烈撞击，直至静止时，第二应变片7将产生较大且多次的变形，同理，数据采集卡5将采集的数据发送至计算机6，生成另一段相对较长的应变-时间曲线(如图6所示)，根据上述公式，从应变-时间曲线上读取到相邻两个波峰间的时间间隔，便能计算出每次碰撞的恢复系数，最后求取平均值，得到最终的碰撞恢复系数。

以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：包括主体机构、释放机构和信号采集处理机构，所述主体机构包括基座（1）、调节杆（2）和斜梁（3），所述基座（1）一侧边固定安装有调节杆（2），所述调节杆（2）端部通过斜梁（3）安装有释放机构；所述信号采集处理机构包括应变片、数据采集卡（5）和计算机（6），所述应变片包括设于释放机构上的第一应变片（4）和设于基座（1）上的第二应变片（7），且第一应变片（4）和第二应变片（7）均分别通过数据传输线与数据采集卡（5）电连接，所述数据采集卡（5）与计算机（6）电连接，依次用于对信号进行采集、处理并计算得到测试球（12）的碰撞恢复系数。

2.根据权利要求1所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述主体机构还包括设于基座（1）上的立柱（8），第二应变片（7）设于立柱（8）侧壁，且立柱（8）上方放置有测试板（9），测试板（9）底部与立柱（8）顶部接触。

3.根据权利要求2所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述立柱（8）包括多个，其在基座（1）上成“十”字型分布，且每个立柱（8）的侧壁均粘贴有第二应变片（7）。

4.根据权利要求2所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述释放机构包括释放装置（11），所述第一应变片（4）粘贴在释放装置（11）底部。

5.根据权利要求4所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述释放装置（11）上设置有延迟装置，用于定时自动控制测试球（12）的夹持与释放。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述基座（1）为“凹”字型结构，其通过两个对称设置的竖直侧板围绕形成容纳腔（13），所述立柱（8）安装于容纳腔（13）底部；基座（1）的两个竖着侧板内壁上对称加工有滑槽，测试板（9）两侧对应加工有与该滑槽相匹配的滑块。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述斜梁（3）顶部沿其长度方向加工有矩形槽（14），用于放置测试球（12）。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述调节杆（2）包括外杆和内杆，外杆和内杆通过螺纹相连。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的一种精准测定碰撞恢复系数的装置，其特征在于：所述基座（1）底部设有带制动装置的万向轮（10）。