一種多用途變形測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種多用途變形測量裝置以及該裝置的測量方法，屬工程測試【技術領域】。本發明的測量裝置包括支柱、橫梁、懸臂梁、轉桿、第一柔性索、第二柔性索、第一固定卡環、第二固定卡環、游標尺、電阻應變片、橋盒組成，由于將應變片后端放置，前端通過柔性索牽拉傳遞變形，從而使得測量裝置可適應大標距試件以及液下極端環境的測量；所述測量方法先核定游標尺標距，根據被測試件的彈性模量選擇轉桿插銷孔，將第一、第二固定卡環與游標尺裝配并固定于被測試件，然后裝配第一、第二柔性索，啟動試驗臺施加載荷，讀取電橋信號，計算懸臂梁撓度，得到被測試件變形量。本發明結構簡單，適用大標距、壓縮變形以及液下極端環境的測量，用途廣泛。
【專利說明】一種多用途變形測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于工程測試【技術領域】，涉及一種固體變形的測量，具體的說涉及工程結構或試樣拉伸、壓縮變形的測量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]在工程測試實踐中，對材料試樣或結構受力后的變形進行準確的測量非常重要。如在進行材料的拉伸試驗中，我們在測定材料的彈性模量、規定非比例屈服強度，或繪制應力應變曲線時必須對該材料的試樣在受拉后其變形量進行準確測量，壓縮試驗亦然。目前此類試驗中的變形一般采用引伸計來測量，常用的電阻應變式引伸計輸出信號為電信號，便于儀表的自動采集、處理，目前應用最為廣泛，但缺點也很明顯:1.通常標距固定，為了滿足不同試驗的需要必須配備各種標距的引伸計，試驗成本增加；2.量程小，只能測量小變形，對較大的變形測量不適用；3.由于引伸計通過刀刃與試樣直接連接，試樣斷裂時產生的較大沖擊力會直接傳遞給引伸計的敏感元件，損壞測量機構；4.對于壓縮變形不適用；5.不能滿足水下、特別是水下高溫、腐蝕環境試驗。
[0003]國外現有的水用引伸計可在水或鹽水溶液中使用，但只限于常溫、短時間的測試，且與常規引伸計一樣，標距固定，量程也較小。
[0004]中國實用新型專利CN2816793Y中針對已有引伸計標距小的問題，公開了一種大標距引伸計，其通過在加大標距裝置和常規小標距引伸計之間增設一個變形過度裝置，將大間距裝置的變形等值的轉換到小標距引伸計的兩刀口變形量，實現對大標距變形的測量。但由于該裝置測量本體仍然是傳統小標距引伸計，對于大變形、壓縮變形、水下測量仍均不適用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是為了克服現有技術中存在的問題和不足，提供方便、快捷，成本很低，且可適用多種用途的變形測量裝置及測量方法。
[0006]為達到上述目的，解決上述技術問題所采用的技術方案是一種多用途變形測量裝置，包括下端帶有底座的支柱7，偏離中線開有一通孔的橫梁21，均布開設有多個徑向銷孔的轉桿5，懸臂梁6，第一柔性索3，第二柔性索4，第一固定卡環1，第二固定卡環2和游標尺18，其中所述支柱7的上下端分別開有一徑向通孔，所述橫梁21通過通孔固套在支柱7中部以上位置，所述橫梁21的左端與所述懸臂梁6的一端相垂直連接，所述橫梁21的右端與所述轉桿5中部任一銷孔銷接，所述第一柔性索3的一端與所述轉桿5的上端相連接，另一端依次穿過所述支柱7上端通孔、第二固定卡環2與第一固定卡環I相連接，所述第二柔性索4的一端與所述轉桿5的下端相連接，另一端穿過所述支柱7下端通孔與所述懸臂梁6另一端相連接，所述第一固定卡環I與第二固定卡環2還分別與所述靠近被測試件20的游標尺18相連接，所述橫梁21左端上表面還設置有與設置在所述懸臂梁6上部的電阻應變片10電連接的橋盒9。[0007]所述第一固定卡環1、第二固定卡環2設計均為剪刀狀彈簧夾，其包括兩片交叉連接的夾體以及產生夾持力夾持彈簧，夾體由夾頭和夾柄組成，夾頭相向內側均設有內凹的夾持刀刃，外側中部均設有一突起的凸柄，連接位置位于夾柄段，且其開有供第一柔性索3芽連的通孔，夾持彈黃連接于兩夾柄罪近夾頭端內側。
[0008]作為本發明裝置的進一步改進，提供一種能夠用于測量壓縮變形的測量裝置，為此，在第一固定卡環1、第二固定卡環2上還活動連接有用于反向傳遞被測試件20變形方向的反向機構17,將被測試件20應力變形反向傳遞。所述反向機構17由套桿、套筒組成,所述套筒穿套于套桿中部，套桿及套筒的頂端、底端均徑向設置有方向相反的突起物，其中套桿頂端及套筒底端的突起物還分別設有與第二固定卡環2、第一固定卡環I外側凸柄活動接插連接的中心盲孔，套桿底部和套筒頂部突起物均開有用于穿連第一柔性索3的徑向通孔。
[0009]此外還在本發明裝置轉桿5與橫梁21相互形成的任一夾角之間設置復位彈簧8，用來使懸臂梁6復位。所述支柱7的底座的材質為磁性材料，便于裝置現場快速安放。所述第一柔性索3、第二柔性索4優選為因瓦合金材料，此材料膨脹系數接近為零，彈性模量較大，具備抗拉剛度大、長度不隨溫度變化而變化的特點。
[0010]為達到上述目的，本發明解決技術問題所采用的另一個技術方案是:一種多用途變形測量裝置的測量方法，包括以下步驟:
[0011]I)校核并固定游標尺18標距，根據被側試件20材質選擇轉桿5與橫梁21銷接銷孔位置；
[0012]2)將游標尺18與第一固定卡環1、第二固定卡環2相連接，并將第一固定卡環I及第二固定卡環2夾持于被測試件20上；將第二柔性索4穿過支柱7的下端通孔，兩端張緊并分別固定于懸臂梁6下端及轉桿5下端；再將第一柔性索3 —端與轉桿5上端相連接，另一端依次穿過支柱7上端通孔、第二固定卡環2，張緊并與第一固定卡環I相連接；
[0013]3)利用惠斯頓電橋原理將橋盒9與懸臂梁6上部的應變花10按全橋接法組成測量電橋；
[0014]4)啟動試驗機，對被測試件20施加載荷，被測試件20產生變形，進而牽拉帶動懸臂梁6產生彎曲變形，從而帶動電阻應變片10變形造成其電阻值發生改變，使測量電橋輸出電壓信號AU ；
[0015]5)利用試驗機數據采集系統讀取橋盒9輸出的電壓信號AU，根據電測應力、應變實驗方法得到懸臂梁6在電阻應變片10處沿懸臂梁6長度方向的線應變ε ;代入胡可定律得到該處的彎曲正應力σ ;再根據彎曲正應力公式得到懸臂梁6上電阻應變片10所在截面的彎矩M ;彎矩M除以懸臂梁6上部電阻應變片10所在截面到懸臂梁6下端的距離得到懸臂梁6下端所受集中力P，將所得集中力P值代入彎曲撓度公式求得懸臂梁6下端產生的撓度S ；
[0016]6)根據轉桿5銷孔位置分隔轉桿5上下部長度比例，確定懸臂梁6的下端撓度δ與被測試件20變形量之間的線性比例系數k，將系數k乘以懸臂梁6的撓度δ，從而得出被測試件20變形量。
[0017]綜上所述，本發明與現有技術相比具有如下特點和有益效果:
[0018]1、由于將應變片后端放置，前端通過柔性索牽拉傳遞變形，從而使得測量裝置可適應大標距試件以及液下極端環境的測量；
[0019]2、通過轉桿上插銷孔的調節，可以對彈性模量較大的試件進行測量；
[0020]3、通過在刀刃與應變片之間引入柔性索，從而在試樣測量斷裂時產生的沖擊可以逐次衰減，避免了傳統引伸計在測量后期必須憑經驗提前拆下，否則會沖擊損壞引伸計的弊端；
[0021]4、加裝反向機構后，增加了對壓縮變形的測量。本發明結構簡單，操作便利，適用用途廣泛；
[0022]5、通過對游標尺的開距進行調整，可以滿足不同尺寸被測試件試驗的需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發明測量裝置的結構示意圖；
[0024]圖2為本發明固定卡環結構示意圖；
[0025]圖3為被測試件液下環境變形測量局部示意圖；
[0026]圖4為本發明反向機構結構示意圖；
[0027]圖5為本發明裝置的工作行程原理圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步說明。
[0029]圖1為本發明測量裝置優選實施方式的結構示意圖，如圖1所示，本發明裝置包括下端帶有底座的支柱7，偏離中線開有一通孔的橫梁21，均布開設有多個徑向銷孔的轉桿5，懸臂梁6，第一柔性索3，第二柔性索4，第一固定卡環1，第二固定卡環2和游標尺18，其中所述支柱7的上下端分別開有一徑向通孔，所述橫梁21通過通孔固套在支柱7中部以上位置，所述橫梁21的左端與所述懸臂梁6的一端相垂直連接，所述橫梁21的右端與所述轉桿5中部任一銷孔銷接，轉桿5開8個銷孔即可滿足測量需要，橫梁21采用大抗彎剛度的材料，懸臂梁6采用小抗彎剛度的材料。所述第一柔性索3的一端與所述轉桿5的上端相連接，另一端依次穿過所述支柱7上端通孔、第二固定卡環2與第一固定卡環I相連接，所述第二柔性索4的一端與所述轉桿5的下端相連接，另一端穿過所述支柱7下端通孔與所述懸臂梁6另一端相連接，所述第一固定卡環I與第二固定卡環2還分別與所述靠近被測試件20的游標尺18相連接，所述橫梁21左端上表面還設置有橋盒9，與設置在所述懸臂梁6上部的電阻應變片10連接組成惠斯頓測量電橋。
[0030]第一固定卡環1、第二固定卡環2的設置用于傳遞被測試件20的變形，可以采用多種方式，只要第一柔性索3 —端固定于被測試件，另一端在牽引時能保證第一柔性索3自由穿行移動，在本例中，第一固定卡環1、第二固定卡環2設計為剪刀狀彈簧夾，如圖2所示，其包括兩片交叉鉸接的夾體以及產生夾持力夾持彈簧，夾體由夾頭和夾柄組成，夾頭相向內側均設有刃口內凹的夾持刀刃，外側中部均設有一突起的凸柄，鉸接位置位于夾柄段，并在鉸接位置處開有通孔，供柔性索3穿行移動，夾持彈簧連接于兩夾柄靠近夾頭端內側。游標尺18設計兩個與夾頭外側的凸柄相配合的凹孔，從而通過凹孔、凸柄的插接來實現與第一固定卡環1、第二固定卡環2的連接。內凹的夾持刀刃夾持被測試件20時增加了接觸點，從而消除傳統引伸計刀刃接觸部位應力集中的問題。[0031]此外在本發明裝置所述轉桿5與橫梁21相互形成的夾角之間設置復位彈簧8，用來使懸臂梁6復位，同時便于測量時第一柔性索3和第二柔性索4的張緊和安裝。支柱7底座的材質采用磁性材料，可利用自身磁性與金屬工作臺固定，現場快速安放。所述第一柔性索3、第二柔性索4優選為因瓦合金材料，此材料膨脹系數接近為零，彈性模量較大，具備抗拉剛度大、長度不隨溫度變化而變化的特點。
[0032]測試時，被測試件20上端固定于試驗機固定橫梁，下端固定于試驗機活動橫梁，通過活動橫梁的移動實現對被測試件20的加載，被測試件20在載荷作用下發生變形，牽拉柔第一性索3、轉桿5、第二柔性索4，使懸臂梁6產生撓度，從而可以最終得出被測試件的變形。
[0033]本發明裝置第二種實施方式與前一種實施方式的區別主要是應用環境的變化，圖3示出了液下極端環境下的變形測量裝置的局部示意圖。傳統引伸計并不適應液下環境，特別是極端液下環境，如高溫、腐蝕液體，本發明測量裝置通過牽拉傳遞引出變形量，將被測試件與橋路系統分離，同時第一柔性索3為抗腐蝕材料，對溫度并不敏感，可以與腐蝕液體直接接觸，測量時可以用套筒給被測試件20施加載荷，套筒與腐蝕液體容器之間用橡皮圈14進行密封，裝置本身的結構及安裝與前述實施例相同，引出的柔性索3可用換向滑輪11導引換向。
[0034]圖4示出了本發明裝置第三種實施方式中反向機構17的結構示意圖，作為本發明裝置的更進一步改進，提供一種能夠用于測量壓縮變形的測量裝置，為此，在第一實施例基礎上，在第一固定卡環I及第二固定卡環2上插接一反向機構17,所述反向機構17主要由套桿、套筒組成，用于將被測試件20應力變形反向傳遞，即壓縮變為擴張，從而牽拉柔性索3發生位移。所述套筒穿套于套桿中部，套桿、套筒的頂端及底端均徑向設置有方向相反的突起物，套桿頂端及套筒底端的突起物開有與第一固定卡環1、第二固定卡環2夾頭外側凸柄相配合的軸向中心盲孔，安裝時直接插接即可，套桿底部、套筒頂部突起物開有徑向通孔，供第一柔性索3穿行及固定。反向機構17通過套桿頂端及套筒底端突起物的中心盲孔以及與之配合的第一固定卡環1、第二固定卡環2夾頭外側凸柄與第一固定卡環1、第二固定卡環2相連接，第一柔性索3的一端與轉桿5的上端相連接，另一端依次穿過支柱7上端通孔、套筒頂部突起物的通孔與套桿底部的突起物相連接。其余部分與第一實施例相同。當對被測試件20施加壓縮載荷時,反向機構17反向傳遞第一固定卡環1、第二固定卡環2位移方向，從而牽拉第一柔性索3、轉桿5、第二柔性索4，使懸臂梁6產生撓度，進而得出被測試件的變形。
[0035]圖5為本發明裝置的工作行程原理圖，轉桿5在第一柔性索3牽拉作用下繞右懸臂末端O點轉動Θ角，D' E'為轉桿5新位置，Y角為柔性索3相應轉動角度，φ角為柔性索4相應轉動角度。設被測試件20發生變形量Λ L，柔性索3發生的位移亦為Λ L，且有:
【權利要求】
1.一種多用途變形測量裝置，其特征在于包括下端帶有底座的支柱(7)，偏離中線開有一通孔的橫梁(21)，均布開設有多個徑向銷孔的轉桿(5)，懸臂梁(6)，第一柔性索(3)，第二柔性索(4)，第一固定卡環(1)，第二固定卡環(2)和游標尺(18)，其中所述支柱(7)的上下端分別開有一徑向通孔，所述橫梁(21)通過通孔固套在支柱(7)中部以上位置，所述橫梁(21)的左端與所述懸臂梁(6)的一端相垂直連接，所述橫梁(21)的右端與所述轉桿(5)中部任一銷孔銷接，所述第一柔性索(3)的一端與所述轉桿(5)的上端相連接，另一端依次穿過所述支柱(7)上端通孔、第二固定卡環(2)與第一固定卡環(I)相連接，所述第二柔性索(4)的一端與所述轉桿(5)的下端相連接，另一端穿過所述支柱(7)下端通孔與所述懸臂梁(6)另一端相連接，所述第一固定卡環(I)與第二固定卡環(2)還分別與所述靠近被測試件(20)的游標尺(18)相連接，所述橫梁(21)左端上表面還設置有與設置在所述懸臂梁(6)上部的電阻應變片(10)電連接的橋盒(9)。
2.根據權利要求1所述多用途變形測量裝置，其特征在于，所述第一固定卡環(I)、第二固定卡環(2)均為剪刀狀彈簧夾。
3.根據權利要求2所述多用途變形測量裝置，其特征在于，所述剪刀狀彈簧夾的夾頭相向內側設有內凹的夾持刀刃，外側中部均設有一突起的凸柄，交叉連接部位開有通孔。
4.根據權利要求1所述多用途變形測量裝置，其特征在于，所述裝置用于測量壓縮變形時在第一固定卡環(I)、第二固定卡環(2)上還活動連接有用于反向傳遞被測試件(20)變形方向的反向機構(17)。
5.根據權利要求4所述多用途變形測量裝置，其特征在于，所述反向機構(17)由套桿、套筒組成，所述套筒穿套于 套桿中部，套桿及套筒的頂端、底端均徑向設置有方向相反的突起物，其中套桿頂端及套筒底端的突起物還分別設有與第二固定卡環(2)、第一固定卡環(I)外側凸柄活動連接的中心盲孔，套桿底部和套筒頂部的突起物均開有用于穿連第一柔性索(3)的徑向通孔。
6.根據權利要求1所述的多用途變形測量裝置，其特征在于，所述轉桿(5)與橫梁(21)相互形成的任一夾角之間設有復位彈簧(8)。
7.根據權利要求1所述的多用途變形測量裝置，其特征在于所述支柱(7)的底座的材質為磁性材料。
8.根據權利要求1所述多用途變形測量裝置，其特征在于，所述第一柔性索(3)與第二柔性索(4 )采用因瓦合金材料。
9.一種如權利要求1所述的多用途變形測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下步驟: 1)校核并固定游標尺(18)標距，根據被側試件(20)材質選擇轉桿(5)與橫梁(21)銷接銷孔位置； 2)將游標尺(18)與第一固定卡環(I)、第二固定卡環(2)相連接，并將第一固定卡環(I)及第二固定卡環(2)夾持于被測試件(20)上；將第二柔性索(4)穿過支柱(7)的下端通孔，兩端張緊并分別固定于懸臂梁(6)下端及轉桿(5)下端；再將第一柔性索(3)—端與轉桿(5)上端相連接，另一端依次穿過支柱(7)上端通孔、第二固定卡環(2)，張緊并與第一固定卡環(I)相連接； 3)利用惠斯頓電橋原理將橋盒(9)與懸臂梁(6)上部的電阻應變片(10)按全橋接法組成測量電橋； 4)啟動試驗機,對被測試件(20)施加載荷，被測試件(20)產生變形，進而牽拉帶動懸臂梁(6)產生彎曲變形，從而帶動電阻應變片(10)變形造成其電阻值發生改變，使測量電橋輸出電壓信號AU ； 5)利用試驗機數據采集系統讀取橋盒(9)輸出的電壓信號AU，根據電測應力、應變實驗方法得到懸臂梁(6)在電阻應變片(10)處沿懸臂梁(6)長度方向的線應變ε ;代入胡可定律得到該處的彎曲正應力σ ;再根據彎曲正應力公式得到懸臂梁(6)上電阻應變片(10)所在截面的彎矩M ;彎矩M除以懸臂梁(6)上部電阻應變片(10)所在截面到懸臂梁(6)下端的距離得到懸臂梁(6)下端所受集中力P，將所得集中力P值代入彎曲撓度公式求得懸臂梁(6)下端產生的撓度δ ； 6)根據轉桿(5)銷孔位置分隔轉桿(5)上下部長度比例，確定懸臂梁(6)的下端撓度δ與被測試件(20)變形量之間的線性比例系數k，將系數k乘以懸臂梁(6)的撓度δ，從而得出被測試件(20 )變形量。
【文檔編號】G01B7/16GK103453832SQ201210362235
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年9月25日 優先權日:2012年9月25日
【發明者】沈超明, 范海峰, 楊文興 申請人:江蘇科技大學