CN217764837U - 双轴拉伸共面度测量装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于计量仪器技术领域，公开了一种双轴拉伸共面度测量装置及系统，包括一体成型的两个测量臂，两个测量臂相互垂直设置形成中心部和沿着中心部向外伸展的四个力臂；每个力臂的前侧壁和后侧壁上均设置有应变传感器，每个力臂上的应变传感器位于力臂的同一横截面位置，通过将本双轴拉伸共面度测量装置夹持于静力双轴试验机的操作空间中，由静力双轴试验机的加载单元对其进行加载实验，然后采集设置于各个应变传感器测得的测量臂变形数据，可以计算出夹持点所在的与测量臂几何平面平行的平面偏离测量臂初始几何平面的最大距离，用来描述静力双轴试验机的共面度，因此可以实现快速、简单地测量静力双轴试验机的加载作用线之间的共面度。

Description

双轴拉伸共面度测量装置及系统

技术领域

本实用新型属于计量仪器技术领域，具体涉及一种用于静力双轴试验机的双轴拉伸共面度测量装置及系统。

背景技术

静力双轴试验机是一种新型的用于材料物理性能测试的试验仪器，这种试验仪器多用于测量具有柔性特征的结构或复合材料制成的结构等在同时受到二维平面内载荷作用时所表现出来的物理性能。这种静力双轴试验机与常见的静力单轴试验机的主要区别在于，静力双轴试验机的操作空间内具备两个相互垂直的方向，在两个方向上设置有两组夹持装置，两组夹持装置可以同时或分别施加载荷，每组夹持装置包括两个加载单元，每个方向上至少存在有一个加载单元能够沿着自身轴向方向运动，从而实现在该方向上的加载功能，具备开展二维平面内载荷试验的能力。

在理想情况下，每组夹持装置的两个加载单元的加载作用线同轴共线。而实际情况中，由于加工或安装情况的不同，在加载过程中会造成每个方向上两个加载单元的加载作用线未同轴共线，也即四个加载单元的加载作用线在试验机操作空间中发生空间扭转而没有位于同一平面上。发生空间扭转的程度越大，意味着静力双轴试验机的二维加载性能越差，发生空间扭转的程度可用共面度来衡量。

然而目前关于静力双轴试验机加载机构的技术标准大多数仅包括单维度内的力值准确性、同轴度等常规指标，现有技术中针对静力双轴试验机的四个加载作用线所在试验机操作空间中的共面度的描述和对该共面度的计量方法少之又少。

现有一些共面度测量方法，是通过图像处理算法提取螺栓连接结合面的特征区域几何形貌，最终完成共面度的计算，但是该共面度测量方法属于机器视觉测量领域，计算量较大，测量过程比较复杂。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于静力双轴试验机的双轴拉伸共面度测量装置及系统，可以快速、简单地测量静力双轴试验机的加载作用线之间的共面度。

为实现上述目的，本实用新型第一方面提供一种双轴拉伸共面度测量装置，包括一体成型的两个测量臂，两个所述测量臂相互垂直设置形成中心部和沿着所述中心部向外伸展的四个力臂；四个所述力臂均匀分布于所述中心部的周向方向上，四个所述力臂的几何平面的两侧分别为前侧和后侧，每个所述力臂的前侧壁和后侧壁上均设置有应变传感器，每个所述力臂上的所述应变传感器位于所述力臂的同一横截面位置。

在一些实施例中，所述中心部的前侧壁上靠近中心位置设置有剪切/扭转应变计。

在一些实施例中，所述力臂的横截面设置为矩形，每个所述力臂均包括四个侧壁，分别是前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁，每个所述力臂的左侧壁和右侧壁上均设置有所述应变传感器，每个所述力臂上的四个侧壁上的所述应变传感器位于所述力臂的同一横截面位置。

在一些实施例中，所述测量臂的横截面设置为矩形，每个所述力臂远离所述中心部的一端均设置有夹持端，所述夹持端的轴心与所述力臂的轴心相同。

在一些实施例中，所述夹持端的横截面设置为圆形。

在一些实施例中，所述夹持端靠近所述力臂的一端设置有连接件，所述夹持端通过所述连接件与所述力臂固定连接。

在一些实施例中，所述连接件的径向尺寸从远离所述力臂往靠近所述力臂的方向逐渐减小。

在一些实施例中，所述连接件的外壁周向设置有四个衔接部，四个所述衔接部分别与所述力臂的四个侧壁连接。

本实用新型第二方面提供一种双轴拉伸共面度测量系统，包括静力双轴试验机以及如第一方面所述的双轴拉伸共面度测量装置，所述静力双轴试验机与所述双轴拉伸共面度测量装置相配合，所述静力双轴试验机的操作空间内壁设有夹持机构，所述夹持机构包括分布于两个相互垂直的方向上的两组夹持装置，每组所述夹持装置包括两个加载单元，所述双轴拉伸共面度测量装置的四个力臂能够分别被四个所述加载单元夹持。

本实用新型第三方面提供另一种双轴拉伸共面度测量系统，包括应变数据采集仪、电子设备以及如第一方面所述的双轴拉伸共面度测量装置，所述应变数据采集仪与所述双轴拉伸共面度测量装置的四个力臂上的应变传感器通信连接，所述应变数据采集仪与所述电子设备通信连接。

本实用新型所提供的双轴拉伸共面度测量装置及系统的有益效果在于，通过将本双轴拉伸共面度测量装置夹持于静力双轴试验机的操作空间中，由静力双轴试验机的加载单元在二维平面内对其进行加载实验，然后采集设置于各个方向上的测量臂上的应变传感器测得的测量臂变形数据，可以计算出夹持点所在的与测量臂几何平面平行的平面偏离测量臂初始几何平面的最大距离，用来描述静力双轴试验机的共面度特征，因此可以实现快速、简单地测量静力双轴试验机的加载作用线之间的共面度。

附图说明

图1是双轴拉伸共面度测量装置的结构示意图；

图2是双轴拉伸共面度测量装置的几何平面结构示意图；

图3是力臂的横截面示意图；

图4是双轴拉伸共面度测量装置的正视结构示意图；

图5是静力双轴试验机的侧面结构示意图；

图6是双轴静力拉伸作用的示意图。

附图标记说明：

100、双轴拉伸共面度测量装置；10、力臂；11、前侧壁；20、应变传感器；30、夹持端；40、连接件；41、衔接部；50、剪切/扭转应变计；200、静力双轴试验机；201、加载单元。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照说明书附图对本实用新型的具体实施例进行更详细的描述。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“第一、第二…”仅仅是用于对名称的区分，不代表具体的数量或顺序。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，本文中“固定于”、“连接于”，可以是直接固定或连接于一个元件，也可以是间接固定或连接于一个元件。

如图1至图4所示，本实用新型实施例公开一种双轴拉伸共面度测量装置100(以下简称共面度测量装置100)，包括一体成型的两个测量臂，两个测量臂相互垂直设置形成中心部和沿着中心部向外伸展的四个力臂10；四个力臂10均匀分布于中心部的周向方向上，四个力臂10的几何平面的两侧分别为前侧和后侧，每个力臂10的前侧壁11和后侧壁上均设置有一个应变传感器20，每个力臂10上的应变传感器20位于力臂10的同一横截面位置。其中，两个测量臂的材质是用弹性金属材料制成的，本双轴拉伸共面度测量装置100是具有“+”字形结构的传感装置。

具体的，两个测量臂的材质使用合金材料制成。合金材料具有稳定组份，在其弹性范围内具有良好线弹性特征。两个测量臂的材质的材料在规定非比例伸长率在0.2％情况下，所能承受的应力应当不低于1000MPa。材料使用后产生的残余变形累计量不会影响两个测量臂本身的几何尺寸，且结构具备较小的刚性。

如图5所示，本实用新型实施例公开一种静力双轴试验机200，与本共面度测量装置100相配合使用，组成一双轴拉伸共面度测量系统，静力双轴试验机200的操作空间内壁设有夹持机构，夹持机构包括两组夹持装置，两组夹持装置分布于两个相互垂直的方向，两组夹持装置可以在两个垂直的方向上同时或分别施加载荷，每组夹持装置包括两个加载单元201，每两个加载单元201分布于一个方向的两端，总共四个加载单元201安装于静力双轴试验机200的操作空间内壁上，每个方向上至少存在有一个加载单元201能够沿着自身轴向方向运动，从而实现在该方向上的加载功能，具备开展二维平面内载荷试验的能力。

本共面度测量装置100中，测量臂的长度与静力双轴试验机200的操作空间大小相匹配，形成的四个力臂10的端部能够分别被静力双轴试验机200的四个加载单元201夹持，位于测量臂上的应变传感器20可用于测量测量臂沿力臂10长度方向的线性应变，因此本共面度测量装置100可用于测量静力双轴试验机200的夹持机构各加载单元201的加载作用线之间的共面度。

其中，位于测量臂上的应变传感器20优选设置为电阻式应变传感器，但在其它一些可能的实施例中，也可以根据实际情况使用不同于电阻式原理的其它应变传感器，例如可以采用光测等手段实现获取测量臂变形数据。电阻式应变传感器是利用金属的应变-电阻效应制成的电阻应变计，用于测量器电阻变化，间接测量测量臂的应变，应变传感器20可以与另外配置的应变数据采集仪有线/无线通信连接，而应变数据采集仪可与计算机电脑等电子设备有线/无线通信连接，这样便可组成另一双轴拉伸共面度测量系统，实现计算通过应变数据采集仪采集应变传感器20上的测量信号(即电阻值)并转换为可读数值结果，并由电子设备自动计算出共面度。

主要通过将本共面度测量装置100夹持于静力双轴试验机200的操作空间中，由静力双轴试验机200的加载单元201在二维平面内对其进行加载实验，然后采集设置于各个方向上的测量臂上各个应变传感器20的初始电阻值和测量电阻值，获得测量臂变形数据，可以计算出夹持点所在的与测量臂几何平面平行的平面偏离测量臂初始几何平面的最大距离，用来描述静力双轴试验机的共面度特征，因此可以实现快速、简单地测量静力双轴试验机的加载作用线之间的共面度。

在本实施例中，每两个相邻的力臂10之间形成一个直角空间，每两个相邻的力臂10之间的直角部均采用圆弧过渡。由于使用时共面度测量装置100是立设于静力双轴试验机200的操作空间中，因此可约定两个测量臂的几何平面的两侧分别视为前侧和后侧，前侧则对应为操作空间的用户操作正面，后侧对应操作空间的用户操作背面。每个力臂10的横截面设置为矩形，也即每个力臂10均包括四个侧壁，靠近两个测量臂的几何平面的前侧和后侧的分别为前侧壁11和后侧壁，而分布在周向方向上的两个侧壁则分别为左侧壁和右侧壁。

其中，每个力臂10的前侧壁11、后侧壁、左侧壁和右侧壁上均设置有一个应变传感器20，如图4所示，每个方向上的两个力臂10上的两个应变传感器20分布于中心部的两侧，且两个应变传感器20的位置以中心部的中心线为对称轴，每个应变传感器20均位于较靠近力臂10末端(远离中心部的一端)的位置，也即每个应变传感器20与中心部的距离比其与力臂10末端的距离较大。具体的，在每个力臂10的四个侧壁上均设置有一个应变传感器20，且每个力臂10上的四个应变传感器20位于力臂10的同一横截面位置。

在本实施例中，每个力臂10远离中心部的一端(末端)均设置有夹持端30。为了更好承受加载力，夹持端30的轴心与力臂10的轴心相同，且夹持端30的横截面设置为圆形。

其中，夹持端30靠近力臂10的一端设置有连接件40，连接件40与夹持端30一体成型，夹持端30通过连接件40与力臂10连接，连接件40的径向尺寸从远离力臂10往靠近力臂10的方向逐渐减小。优选的在本实施例中，连接件40的外壁周向设置有四个衔接部41，四个衔接部41分别与力臂10的四个侧壁圆滑过渡连接，四个衔接部41毗邻分布于连接件40的外壁周向上，衔接部41的形状设置为弧形槽。

优选的在本实施例中，在两个测量臂的连接处(即中心部，四个力臂的几何交界位置)的前侧壁上靠近中心位置设置有剪切/扭转应变计50，用于测量静力双轴试验机200分别施加两个方向的载荷在共面度测量装置100上产生的扭矩量。

在测量时，首先使共面度测量装置100处于静置状态，通过应变数据采集仪测量当前各力臂10上的应变传感器20以及共面度测量装置100几何中心的剪切/扭转应变计50当前数值并将这个值记为零值。然后试验机的夹持机构分别夹住四个力臂的夹持端30端部，夹持机构的两组夹持装置分别或同时缓慢施加纵向载荷和横向载荷，载荷大小为静力双轴试验机200单轴最大额定载荷的(0.5～1)％并保持，记录当前各力臂10上应变传感器20测得的电阻值作为初始值。

其中，在测量初始值的施加载荷过程中，可以检查静力双轴试验机200的加载机构是否发生空间扭转，也即评价静力双轴试验机200能否在二维平面内直线运动进行加载实验。将剪切/扭转应变计50测量到的数据作为评价指标，将共面度测量装置100四个力臂上的八个应变传感器20测量到的电阻平均值作为允差，如果评价指标未超过允差，表示静力双轴试验机200具备开展二维平面内载荷试验的能力，其夹持机构的加载作用线共面；如果存在评价指标超过允差的情况，则表示发生空间扭转，需要对当前静力双轴试验机200的夹持机构进行检查是否发生径向转动，可以通过机械安装或修调后，然后重新重复上述过程再测夹持机构的加载作用线是否共面。

获得静力双轴试验机200的夹持机构的加载作用线共面时应变传感器20的初始值之后，将每个方向的力臂10上的各个应变传感器20的初始值与零值进行比较，获得初始值与零值的差值作为测量电阻值，同一方向的两个力臂上的前侧壁11和后侧壁的4个应变传感器20的测量电阻值平均值与这个方向上的8个应变传感器20的测量电阻值平均值之间的误差不能高于一定阈值，例如1％或2％，否则需要重新装夹共面度测量装置100。

最后开始计量静力双轴试验机200的夹持机构的加载作用线共面度，静力双轴试验机200的夹持机构缓慢加载至置单轴最大额定载荷的4％左右，如图4所示，测量臂的有效长度为L，每个应变传感器20与中心部中点的距离为1/2L。如图6所示，虚线代表共面度测量装置100的原始中心轴线，实线代表共面度测量装置100在载荷作用下的实际中心轴线，四个端点分别代表共面度测量装置100的四个夹持点，通过应变数据采集仪采集测量臂的前侧壁11、后侧壁上的应变传感器20的当前测量电阻值分别是ε_F和ε_B，取实际中心轴线与原始中心轴线所成空间夹角作为静力双轴试验机的加载作用线所成空间夹角θ＝arccos(max(ε_F,ε_B)/min(ε_F,ε_B))，对于其中任意一个方向取夹持点所在的平面与共面度测量装置100几何平面平行的平面偏离共面度测量装置100几何平面间的偏离距离d＝L×tanθ，对于两个方向的测量臂，分别计算得到d₁和d₂，取其中最大值max(d₁,d₂)为当前测量到的静力双轴试验机200的共面度。

综上所述，本共面度测量装置100可以在夹持机构对共面度测量装置100施加一定载荷时，计算出夹持点所在的与测量臂几何平面平行的平面偏离测量臂初始几何平面的最大距离，用来描述静力双轴试验机的夹持机构的加载作用线的共面度情况，因此可以实现快速、简单地测量静力双轴试验机的加载作用线之间的共面度。

以上实施例也并非是基于本实用新型的穷尽性列举，在此之外，还可以存在多个未列出的其他实施方式。在不违反本实用新型构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，包括一体成型的两个测量臂，两个所述测量臂相互垂直设置形成中心部和沿着所述中心部向外伸展的四个力臂；四个所述力臂均匀分布于所述中心部的周向方向上，

四个所述力臂的几何平面的两侧分别为前侧和后侧，每个所述力臂的前侧壁和后侧壁上均设置有应变传感器，

每个所述力臂上的所述应变传感器位于所述力臂的同一横截面位置。

2.如权利要求1所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，所述中心部的前侧壁上靠近中心位置设置有剪切/扭转应变计。

3.如权利要求1所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，所述力臂的横截面设置为矩形，每个所述力臂均包括四个侧壁，分别是前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁，每个所述力臂的左侧壁和右侧壁上均设置有所述应变传感器，每个所述力臂上的四个侧壁上的所述应变传感器位于所述力臂的同一横截面位置。

4.如权利要求1至3任一项所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，每个所述力臂远离所述中心部的一端均设置有夹持端，所述夹持端的轴心与所述力臂的轴心相同。

5.如权利要求4所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，所述夹持端的横截面设置为圆形。

6.如权利要求4所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，所述夹持端靠近所述力臂的一端设置有连接件，所述夹持端通过所述连接件与所述力臂固定连接。

7.如权利要求6所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，所述连接件的径向尺寸从远离所述力臂往靠近所述力臂的方向逐渐减小。

8.如权利要求7所述的双轴拉伸共面度测量装置，其特征在于，所述连接件的外壁周向设置有四个衔接部，四个所述衔接部分别与所述力臂的四个侧壁连接。

9.双轴拉伸共面度测量系统，其特征在于，包括静力双轴试验机以及如权利要求1至8任一项所述的双轴拉伸共面度测量装置，所述静力双轴试验机与所述双轴拉伸共面度测量装置相配合，所述静力双轴试验机的操作空间内壁设有夹持机构，所述夹持机构包括分布于两个相互垂直的方向上的两组夹持装置，每组所述夹持装置包括两个加载单元，所述双轴拉伸共面度测量装置的四个力臂能够分别被四个所述加载单元夹持。

10.双轴拉伸共面度测量系统，其特征在于，包括应变数据采集仪、电子设备以及如权利要求1至8任一项所述的双轴拉伸共面度测量装置，所述应变数据采集仪与所述双轴拉伸共面度测量装置的四个力臂上的应变传感器通信连接，所述应变数据采集仪与所述电子设备通信连接。

Images