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对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置专利

专利号:201310430364.9

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专利名称:对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置

技术领域:结构件,抗弯,刚度测试

IPC主分类号:G01M5/00

申请号:CN201310430364.9

公开日:2015-08-19

说明书

一种对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置

技术领域

[0001] 本发明涉及构件高低温环境条件下的抗弯刚度测试领域。

背景技术

[0002] 对结构件进行刚度测试时如无特殊要求通常都是在常温下进行的,现有的刚度测试根据不同的测试要求和应用领域,有多种方法和结构,但是对于处于高低温环境中的构件刚度测试,由于测试工装夹具、加载机构等在高低温环境下会产生变形,从而影响力的加载、力矩及角度的测量,再者因环境的过冷过热,大多数测试用精密仪器或设备将无法正常使用,影响测试工作的进行。
[0003] 现阶段高低温下的抗弯刚度测试是在高低温箱内进行的,所述机构件放置在高低温箱内,所述被测件为悬臂梁。专利申请号为CN200810124707.8的“弯扭结构变形的激光放大测量方法”中提到了一种将激光发射器固定在构件待测转角部位上,利用光杠杆原理将微小变形进行放大的一种构件刚度测试方法,可实现非接触式测量。但是,对于高低温下的刚度测试,激光发射器不能位于构件上,且测试过程中,还得考虑到机座的形变量。专利申请号为201110370253.4的“高低温箱内被测件的三维变形测量装置”以及专利申请号为201110370271.2的“高低温箱内机械装置三维微小变形的高精度测量系统”提供一种高低温箱内构件三维变形的测量方法,但是此类方法只能跟随某一点的三维位移,而刚度测试需获得精确的加载力以及力臂的大小。

发明内容

[0004] 为了克服高低温环境下的影响,提高抗弯刚度测试的可靠性及测量精度要求,本发明提供一种高精度加载及测量的高低温环境下刚度测试装置。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006] 一种对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置,其测试装置包括激光测量组、气浮装置、升降装置、移动横梁、耐高低温拉绳、高低温箱。所述气浮装装置包括气浮轴、气浮套。
[0007] 所述升降装置位于高低温箱外,所述移动横梁套装在升降装置上可上下移动。
[0008] 所述气浮装置有两套,所述气浮装置的气浮轴通过气浮轴承座固定在移动横梁上,所述气浮套套装在所述气浮轴上,所述气浮轴上均安装光栅位移传感器和无线数据传输模块。
[0009] 所述高低温箱顶部有通孔,侧面设有观察窗。所述高低温箱内放置被测件安装座,所述被测件安装座上安装被测件。所述耐高低温拉绳竖直穿过高低温箱顶部的通孔连接气浮套和被测件,所述第一耐高低温拉绳中间套有低刚度弹簧,下端套装在被测件连接被测件安装座的一端,所述第二耐高低温拉绳上端通过力传感器与气浮套连接。
[0010] 所述激光测量组包括角锥反光镜、激光头和计算模块,所述激光头固定在高低温箱外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对,所述角锥反光镜通过角锥反光镜安装座分别固定在被测件末端和被测件安装座上,所述角锥反光镜安装座上的角锥反光镜有两个且间距为定值,所述每个激光头对应一个角锥反光镜。
[0011] 进一步,所述光栅位移传感器、力传感器和无线数据传输模块由电池供电。
[0012] 更进一步,所述述耐高低温拉绳为芳纶纤维绳。
[0013] 再进一步,所述升降装置是直线导轨、滚珠丝杠可控制移动横梁升降的装置。
[0014] 本发明的测量方法为:
[0015] 1、调整激光头,使得激光头发射的激光束经角锥反光镜反射,同一角锥反光镜安装座上的两个角锥反光镜间光程差为零。
[0016] 2、密封高低温箱,使其达到测试所需温度,待温度平稳后,测量出第一耐高低温拉绳和第二耐高低温拉绳间的垂直距离L0,光栅位移传感器归零。
[0017] 3、控制移动横梁上下移动,通过第二耐高低温拉绳施加拉力,通过力传感器读取实时拉力F的大小。
[0018] 4、利用气浮轴上的光栅位移传感器获取气浮套的偏移位移为X1、X2,设定一个正方向,则任意时刻力臂L=L0+X2-X1。
[0019] 5、通过激光测量组测被测件转角变形:施加弯矩后,被测件变形,激光束反射光程改变,同一角锥反光镜安装座上的两个角锥反光镜间距为d,两者光程差记为s,则转角变形θ=arcsin(s/2d)。被测件和被测件安装座上均安装有反射镜,通过计算模块获得被测件上转角变形测量值为θ1,被测件安装座上转角变形测量值为θ2,被测件实际转角变形即为θ'=θ1-θ2。
[0020] 6、通过所测量的拉力F、力臂L、转角变形θ',绘制能反映被测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。
[0021] 本发明的设计思路是:
[0022] 高低温环境下,大多数测试用精密仪器或设备将无法正常使用,且被测件底座及被测件会因热胀冷缩产生变形,给抗弯刚度测试增加了很大的难度。本发明采用耐高温拉绳进行力的加载,利用气浮装置获取力臂的大小且保证作用力的方向,利用力传感器测得绳上的拉力,利用激光测量组获得转角变形,所有数据经无线数据传输模块发送,从而精确获得测件抗弯刚度的弯矩-角变形曲线。
[0023] 耐高温拉绳具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等性能,可在热真空环境下使用。拉绳与气浮套固定,气浮套可在气浮轴上无摩擦滑动,因此在被测件变形过程中可始终保证拉绳的竖直。第一耐高低温拉绳中间套有低刚度弹簧,可保证拉绳有一定的伸缩余度且始终保持竖直状态,不产生附加力,移动横梁移动带动第二耐高低温拉绳进行加载。力臂为第一耐高低温拉绳和第二耐高低温拉绳之间的垂直距离,可通过光栅位移传感器进行实时测量。
[0024] 被测件的相应转角变形可通过激光测量组进行非接触式测量。其中激光测量组应用了雷达原理、多普勒频差效应及光学外差原理,利用反射镜移动时激光束反射所产生的频移来进行位移测量。在被测件安装座也布置一组激光头及角锥反光镜,测量其角变形量,是为避免工装夹具等受力产生附加变形掺入构件刚度测试中。最后通过计算得到构件两端的变形角,其差值即为构件实际挠曲角,测量精度高。
[0025] 所述光栅位移传感器、力传感器和无线数据传输模块由电池供电,消除了信号线对被测件变形测量产生的附加力影响。同时,激光头、传感器等电子器件都温度箱的外面,消除了高低温对其正常工作的影响。
[0026] 本发明的有益效果主要表现在:可在高低温环境下对结构件进行抗弯刚度测试,使用方便,可靠性强,具有测量精度高、实时性好、能输出反映构件抗弯刚度特性的弯矩—转角曲线等特点。

附图说明

[0027] 图1是一种对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置示意图。
[0028] 图2是转角测量计算示意图。具体实施方式:
[0029] 结合附图,一种对结构件在高低温环境下的抗弯刚度测试装置,其测试装置包括激光测量组、气浮装置、升降装置1、移动横梁2、耐高低温拉绳7、高低温箱。所述气浮装装置包括气浮轴16、气浮套5。
[0030] 所述升降装置1位于高低温箱外,所述移动横梁2套装在升降装置1上可上下移动。
[0031] 所述气浮装置有两套,所述气浮装置的气浮轴16通过气浮轴承座3固定在移动横梁2上,所述气浮套5套装在所述气浮轴16上,所述气浮轴16上均安装光栅位移传感器4和无线数据传输模块15。
[0032] 所述高低温箱12顶部有通孔,侧面设有观察窗。所述高低温箱12内放置被测件安装座13,所述被测件安装座13上安装被测件11。所述耐高低温拉绳7竖直穿过高低温箱12顶部的通孔连接气浮套5和被测件11,所述第一耐高低温拉绳中间套有低刚度弹簧14,下端套装在被测件11连接被测件安装座13的一端,所述第二耐高低温拉绳上端通过力传感器6与气浮套5连接。所述第一耐高低温拉绳平行所述第二耐高低温拉绳且始终保持竖直状态。
[0033] 所述激光测量组包括角锥反光镜10、激光头8和计算模块,所述激光头8固定在高低温箱12外且和高低温箱侧面的观测窗位置相对,所述角锥反光镜10通过角锥反光镜安装座9分别固定在被测件11和被测件安装座13上,所述角锥反光镜安装座9垂直被测件11,所述角锥反光镜安装9上的角锥反光镜有两个且间距为d,所述每个激光头8对应一个角锥反光镜10。
[0034] 一个角锥反光镜安装座上有两个角锥反光镜,已知其间距为d。如图2所示,初始状态(两只反光镜与光线垂直即AB⊥光线)时,激光头H1、H2向A、B处的两只反光镜分别发射激光并进行接收,此时光程之差为零;施加弯矩后,被测件变形两只反光镜分别移至C、D两处。从而可从两只激光头上分别获取AC、BD在光线方向的距离,两者光程差为s,则delt1=s/2,所以转角变形θ1=arcsin(delt1/d)=arcsin(s/2d)。同理可得被测件另一端的转角变形θ2=arcsin(delt2/d),所以可得被测件实际转角变形即为θ'=θ1-θ2。
[0035] 进一步,所述光栅位移传感器4、力传感器6和无线数据传输模块15由电池供电。
[0036] 更进一步,所述述耐高低温拉绳7为芳纶纤维绳。
[0037] 再进一步,所述升降装置1可以是直线导轨、滚珠丝杠等可控制移动横梁2升降的装置。
[0038] 本实施例中,被测件11和反光镜安装座9处于高低温箱12内,然后用耐高温拉绳7悬挂于气浮轴16上,利用力传感器6测得绳上的拉力,再通过光栅位移传感器4测得拉力的力臂,将所得数据经过无线数据传输模块15发送至上位机,结果得到精确的力矩;利用激光测量组获取被测件11的角度变形,最后,利用所得力矩和角度变形量可以计算得到被测件的刚度。

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