CN113959321A - 一种小型的空间三维位移测试装置及位移计算方法 - Google Patents

Abstract

一种小型的空间三维位移测试装置及位移计算方法，属于试验设备技术领域。该测试装置，探头跟随测试点发生移动，直线电阻位移计随着转动，直线电阻拉杆的伸缩量数值由直线电阻位移计测量，并由安装在直线电阻位移计上的九轴传感器测量直线电阻位移计的旋转角度。该位移计算方法，S2.确定对应的三维坐标系，确定初始测试点的三维坐标(0，L1，0)；S4.计算得到测试点到旋转轴轴心的距离L2；S5.计算测试点Q点的三维坐标(b，a，c)；S6.得到测试点的位移向量(b，a‑L1，c)。本发明可以满足大多数试验结构件的位移测试，体积小，安装位置灵活，且生产成本低，精度较高，能够精准高效的实现空间三维位移的测试。

Description

一种小型的空间三维位移测试装置及位移计算方法

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，具体涉及一种位移测试装置及位移计算方法。

背景技术

对于一些试验的大型结构件的加载试验，往往结构件包含复杂的曲面，同时需要试验测试某些特定点的位移来衡量结构件在加载过程中的变形情况，位移值作为结构变形的重要衡量标准，对于结构件的设计和改进至关重要。

目前市面上对大型结构件在加载试验过程中的位移测试往往采用传统的直线位移计，包括激光位移计等，而单向位移计仅能测试一个方向的位移，同时在结构件受载发生变形过程中，测得的单方向的位移往往存在很大的误差。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的不足，进而提供一种稳定可靠，使用方便的小型空间三维位移测试装置及位移计算方法；能够满足大型结构件在加载测试过程中，固定点的位移的实时监测，精确得到各个方向的位移大小。

本发明所采取的技术方案是：一种小型的空间三维位移测试装置，包括直线电阻位移计、位移计夹持装置、旋转轴、位移计固定装置及九轴传感器；所述直线电阻位移计转动安装在位移计固定装置上，直线电阻位移计的探头与测试点固定，探头跟随测试点发生移动，直线电阻位移计随着转动，直线电阻位移计的拉杆在跟随转动的过程中同时发生伸长或缩短，拉杆的伸缩量数值由直线电阻位移计测量，并由安装在直线电阻位移计上的九轴传感器测量直线电阻位移计的旋转角度。

一种位移计算方法，包括以下步骤：

S1.进行空间三维位移测试装置的安装，并将探头与测试点对应；

S2.根据初始的直线电阻位移计摆放位置以及旋转轴轴心位置确定对应的三维坐标系，同时确定初始测试点在设定坐标系下的三维坐标(0，L1，0)；

S3.在结构件受载过程中，通过九轴传感器实时测得直线电阻位移计整体的旋转角度；

S4.通过直线电阻位移计，计算得到测试点到旋转轴轴心的距离L2；

S5.实时计算测试点Q点在设定坐标系的三维坐标(b，a，c)；

S6.得到测试点在设定坐标系下的三个方向的位移向量(b，a-L1，c)；

S7.电脑绘制测试点的实时位移曲线，同时显示实时位移值。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明可以满足大多数试验结构件的位移测试，体积小，安装位置灵活，且生产成本低，精度较高，能够精准高效的实现空间三维位移的测试。

2、本发明相比于传统的直线位移计，既能减小单方向上的误差，测量精度高，又能额外测试其他方向的位移值，实时观测加载试验过程中的位移变化情况，且本发明结构简单，稳定可靠，操作方便。

3、本发明的位移计算严密、准确、精确，计算方法通用，可实现程序化。

4、本发明安装和拆卸方便，测试效率高，易于进行大型复杂结构件的空间位移唯一测试。

5、本发明的测试数据能够进行实时传输，计算机实行程序化自动运算，实时显示测试点的位移变化以及位移数据值。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明的计算方法示意图；

图1中：1、直线电阻位移计；2、拉杆；3、探头；4、位移计夹持装置；5、旋转轴；6、位移计固定装置；7、九轴传感器；8、横梁，

图2中：O点表示旋转轴轴心位置，P点表示初始位移测试点，Q点表示测试点在结构变形后的末端位置，向量PQ为真实测试点的位移值，P点的空间坐标为(0，L1，0)；Q点的空间坐标为(b，a，c)，OP原长为L1，结构件变形后OQ的长度为L2，α1为OQ在XY平面的投影与X轴的夹角，α3为OQ在XY平面的投影与Y轴的夹角，α2为OQ与XY平面的夹角。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种小型的空间三维位移测试装置，包括直线电阻位移计1、位移计夹持装置4、旋转轴5、位移计固定装置6及九轴传感器7；所述直线电阻位移计1转动安装在位移计固定装置6上，直线电阻位移计1的探头3与测试点固定，探头3跟随测试点发生移动，直线电阻位移计1随着转动，直线电阻位移计1的拉杆2在跟随转动的过程中同时发生伸长或缩短，拉杆2的伸缩量数值由直线电阻位移计1测量，并由安装在直线电阻位移计1上的九轴传感器7测量直线电阻位移计1的旋转角度。

本实施方式中，九轴传感器7，可精确测量装置旋转角度及角速度，并通过wifi信号进行测试数据的实时监测及数据传输。

具体实施方式二：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一作进一步限定，本实施方式中，直线电阻位移计1安装在位移计夹持装置4上，所述位移计夹持装置4通过旋转轴5转动安装在位移计固定装置6，所述位移计固定装置6用于固定测试装置整体。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

本实施方式中，旋转轴5的轴线与直线电阻位移计1垂直设置，旋转轴5与加持装置4之间的连接是球铰接，初始时保持旋转轴5的轴线与直线电阻位移计1垂直设置。

可改变旋转轴的程度，以适应装置的安装，同时旋转轴5可保证整体装置在空间内的大范围转动。

具体实施方式三：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一作进一步限定，本实施方式中，探头3的头端进行粗糙化处理，增大与探头3与测试点表面的摩擦力，以防止测试过程中与测试点产生相对滑动。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四，参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二作进一步限定，本实施方式中，位移计夹持装置4的主体为U型夹持板，所述直线电阻位移计1设置在U型夹持板的U型槽口内并通过螺栓固定。

本实施方式中，U型夹持板上开设螺纹孔，与螺栓螺纹连接，使螺栓能够顶在直线电阻位移计1上，从而实现直线电阻位移计1的固定。

本实施方式中，直线电阻位移计1采用螺栓来保持夹紧力，同时可在直线电阻位移计1上滑动，调整夹持位置，且能够改变夹持角度。

具体实施方式五：参照图1说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二作进一步限定，本实施方式中，位移计固定装置6可以为任意规格，位移计固定装置6能够固定在试验机的横梁8上或者能够夹持磁铁，使测试装置整体吸附在试验机的金属边框上，整体装置灵活多变，起固定作用。其它组成及连接方式与具体实施方式二相同。

该测试装置，在使用前，先根据具体的试验结构件尺寸和试验需求，进行装置的空间位置的固定以及探头3与测试点位置的固定，在结构件的加载测试过程中，结构件发生变形，对应的测试点发生空间移动，探头3跟随测试点发生移动，使整体的测试装置绕旋转轴5发生转动，拉杆2在跟随转动的过程中同时发生伸长或缩短，此数值大小可由直线电阻位移计1测得，在设定坐标系下的旋转角度可由九轴传感器7测得，通过本发明采用的计算方法，计算得到测试点在结构件受载过程中的空间三维位移，整体可实现程序化进行对位移测试点的实时监测。

本实施方式中，旋转轴5的末端通过螺丝杆与位移固定装置6连接，可调节旋转轴5末端超出部分，来改变旋转轴5的应用长度。

具体实施方式六：参照图2说明本实施方式，本实施方式提供了一种位移计算方法，包括以下步骤：

S1.根据结构件的几何外形和测试点位置进行空间三维位移测试装置的安装，并将探头3与测试点对应，保证试验测试的顺利进行；

S2.根据初始的直线电阻位移计1摆放位置以及旋转轴5轴心位置确定对应的三维坐标系，同时确定初始测试点在设定坐标系下的三维坐标(0，L1，0)；

S3.在结构件受载过程中，由于结构发生变形，测试点发生空间位置的改变，拉杆2伸长或压缩，且直线电阻位移计1跟随测试点位置的移动发生旋转，通过九轴传感器7实时测得直线电阻位移计1整体的旋转角度；

S4.通过直线电阻位移计1，计算得到测试点到旋转轴轴心的距离L2；

S5.实时计算测试点Q点在设定坐标系的三维坐标(b，a，c)；

S6.得到测试点在设定坐标系下的三个方向的位移向量(b，a-L1，c)；如有需要，可根据空间坐标轴转换公式，计算测试点在其他三维坐标系下的位移值。

S7.电脑绘制测试点的实时位移曲线，同时显示实时位移值。

具体实施方式七：参照图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六作进一步限定，本实施方式中，S2中的三维坐标系，以旋转轴(5)轴心与初始测试点所在的直线为Y轴，轴心位置为坐标系的原点。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：参照图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七作进一步限定，本实施方式中，S3中，九轴传感器(7)测量的值为α1、α2、α3的值，其中，α1为OQ在XY平面的投影与X轴的夹角，α2为OQ与XY平面的夹角，α3为OQ在XY平面的投影与Y轴的夹角。其它组成及连接方式与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：参照图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式八作进一步限定，本实施方式中，在S5中，根据三维空间直角坐标系的空间向量运算法则，计算测试点Q点的三维坐标(b，a，c)，计算公式为，

c＝L2*sin∠2

b＝L2*cos∠2*sin∠3

a＝L2*cos∠2*sin∠1

x＝b＝L2*cos∠2*sin∠3

y＝a-L1＝L2*cos∠2*sin∠1-L1

z＝c＝L2*sin∠2

其中：x，y，z表示测试点在设定坐标系下的X方向、Y方向和Z方向的位移值。其它组成及连接方式与具体实施方式八相同。

该位移计算方法采用了测量坐标系，通过空间坐标变换的方式，对测试点在测量坐标系下的位移进行了计算，测试全程采用数据远距离传输，同时电脑程序化操作，得到测试点在设定坐标系下的实时位移变化情况。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种小型的空间三维位移测试装置，其特征在于：包括直线电阻位移计(1)、位移计夹持装置(4)、旋转轴(5)、位移计固定装置(6)及九轴传感器(7)；所述直线电阻位移计(1)转动安装在位移计固定装置(6)上，直线电阻位移计(1)的探头(3)与测试点固定，探头(3)跟随测试点发生移动，直线电阻位移计(1)随着转动，直线电阻位移计(1)的拉杆(2)在跟随转动的过程中同时发生伸长或缩短，拉杆(2)的伸缩量数值由直线电阻位移计(1)测量，并由安装在直线电阻位移计(1)上的九轴传感器(7)测量直线电阻位移计(1)的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的一种小型的空间三维位移测试装置，其特征在于：所述直线电阻位移计(1)安装在位移计夹持装置(4)上，所述位移计夹持装置(4)通过旋转轴(5)转动安装在位移计固定装置(6)，所述位移计固定装置(6)用于固定测试装置整体。

3.根据权利要求1所述的一种小型的空间三维位移测试装置，其特征在于：所述探头(3)的头端进行粗糙化处理，以防止与测试点产生相对滑动。

4.根据权利要求2所述的一种小型的空间三维位移测试装置，其特征在于：所述位移计夹持装置(4)的主体为U型夹持板，所述直线电阻位移计(1)设置在U型夹持板的U型槽口内并通过螺栓固定。

5.根据权利要求2所述的一种小型的空间三维位移测试装置，其特征在于：所述位移计固定装置(6)能够固定在试验机的横梁(8)上或者能够夹持磁铁，使测试装置整体吸附在试验机的金属边框上。

6.一种利用权利要求1～5任意一项权利要求所述的小型的空间三维位移测试装置的位移计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.进行空间三维位移测试装置的安装，并将探头(3)与测试点对应；

S2.根据初始的直线电阻位移计(1)摆放位置以及旋转轴(5)轴心位置确定对应的三维坐标系，同时确定初始测试点在设定坐标系下的三维坐标(0，L1，0)；

S3.在结构件受载过程中，通过九轴传感器(7)实时测得直线电阻位移计(1)整体的旋转角度；

S4.通过直线电阻位移计(1)，计算得到测试点到旋转轴轴心的距离L2；

S5.实时计算测试点Q点在设定坐标系的三维坐标(b，a，c)；

S6.得到测试点在设定坐标系下的三个方向的位移向量(b，a-L1，c)。

S7.电脑绘制测试点的实时位移曲线，同时显示实时位移值。

7.根据权利要求6所述的位移计算方法，其特征在于：所述S2中的三维坐标系，以旋转轴(5)轴心与初始测试点所在的直线为Y轴，轴心位置为坐标系的原点。

8.根据权利要求7所述的位移计算方法，其特征在于：所述S3中，九轴传感器(7)测量的值为α1、α2、α3的值，其中，α1为OQ在XY平面的投影与X轴的夹角，α2为OQ与XY平面的夹角，α3为OQ在XY平面的投影与Y轴的夹角。

9.根据权利要求8所述的位移计算方法，其特征在于：在S5中，根据三维空间直角坐标系的空间向量运算法则，计算测试点Q点的三维坐标(b，a，c)，计算公式为，

c＝L2*sin∠2

b＝L2*cos∠2*sin∠3

a＝L2*cos∠2*sin∠1

x＝b＝L2*cos∠2*sin∠3

y＝a-L1＝L2*cos∠2*sin∠1-L1

z＝c＝L2*sin∠2

其中：x，y，z表示测试点在设定坐标系下的X方向、Y方向和Z方向的位移值。

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