CN213090699U - 一种应变测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种应变测量装置，包括导轨底座、滑块、弹簧、磁钢、动光栅、静光栅、支架、外壳、光源、第一透镜，第二透镜、CCD传感器和测量电路。导轨底座和滑块组装在一起，在其底部均安装有磁钢，在导轨底座上安装有静光栅，滑块上安装有动光栅，在动光栅的一侧安装有光源和第一透镜，在静光栅的一侧安装有第二透镜、CCD传感器、测量电路和电池，导轨和滑块有相对运动时，通过CCD传感器和测量电路便可测量出应变的大小。测量电路包括稳压电路、单片机电路、光源驱动电路、无线通讯电路、CCD传感器、CCD驱动电路和电池。本实用新型只需要将应变光栅测量传感器放置在被测件上，便能直接测量出材料的受力及应变的大小。

Description

一种应变测量装置

技术领域

本实用新型涉及应变的测量传感器技术领域，尤其是指一种应变测量装置。

背景技术

应变是物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度，工程上经常通过对被测物施加载荷，测量其应变的大小，以确定被测物的工作性能，常用于检测被测物的安全性，如井架的安全性测试，就是通过对井架施加相应的载荷，对其应变进行测量，通过应变与载荷的变化情况，建立相应的模型，判断井架的安全性和提升载荷的能力，因测量需要，测试人员得爬到井架上去进行钢架的打磨，粘贴应变片，现场测量布线等高空作业，直接危及到测量人员的生命安全。

目前，测量应变的方法大多采用应变片进行测量，测量前，需要将被测物表面的油、漆等污物清理干净，并采用树脂胶将应变片粘贴在被测物体表面，需要等到粘贴胶干透后才能进行测量，粘贴过程中，还需要对粘贴人员进行严格培训，如果粘贴不理想，接线不正确，焊接不好等因素，直接使测量结果不准确，还得再次重复上述过程重新打磨、清洁表面、粘贴应变片，使现场测量变得较困难，因粘贴应变片需要，破坏被测物表面的油漆等保护层，增加了被测物的加速损坏。

目前，也有采用应变片单独做的测量装置，直接夹持或安装在被测物体表面实现测量，其测量传感器本身也是由小弹性模量材料制成，因应变片本身的特性，使用寿命较短，安装时还得保证其本身不能发生塑性变形，否则测量数据不可靠或无法测量，安装时一般采用的夹持安装，因其受环境影响较大，弹性模量小等直接影响了其使用寿命，需要专业的工人安装，否则容易损坏测量传感器。

在目前，上述测量方式在测量和使用中，均存在多种问题，无法满足快速、安全、可靠、无损测量的要求，急需一种变形量较大，安全，可靠，无损测量的应变测量装置。

鉴于上述，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应变测量装置，实现测量简单方便，测量准确，安全，对被测物实现无损测量，满足安装简单，测量方便，可靠性高的工程应变测量装置。

为达成上述目的，本实用新型的解决方案为：

一种应变测量装置，包括滑动部件、光学部件、测量电路、辅助部件和测量软件；

所述滑动部件包括导轨底座、滑块、磁钢、弹簧组成；滑块可通过弹簧与导轨底座连接并固定在确定位置，在导轨底座和滑块底部均安装有磁钢(也可为安装支架)，当应变测量装置放到被测物上时，磁钢通过吸力将应变测量装置吸附在被测物表面，当被测物发生弹性变形时，导轨底座和滑块之间便产生相对移动，从而实现应变的测量，当应变测量装置从被测物上取下时，受导轨底座和滑块之间的弹簧作用，导轨底座和滑块便自动恢复到零点位置，以供下次测量时使用。

光学部件包括光源、第一透镜、静光栅、动光栅、第二透镜、CCD传感器；光源经过第一透镜后，将点光源变成平行光源，并照射到静光栅、动光栅上，透过两片光栅后，平行光线形成莫尔条纹，通过第二透镜(该透镜根据需要可以去掉不使用)，将莫尔条纹成像到CCD传感器上，通过CCD传感器，便可检测到莫尔条纹在CCD传感器上移动的位移量，CCD传感器采用线阵CCD传感器，其每个相邻像素点间的距离是确定的，通过计算莫尔条纹在CCD传感器上移动的像素点的个数，便可计算出莫尔条纹的移动距离，从而计算出滑块与导轨底座之间的位移量，该位移量除以导轨底座上磁钢与滑块底座上磁钢间的距离便是应变。本实用新型也可用于微量位移的测量。

应变物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度，根据正应变公式为

在该公式中，式中L是导轨底座的磁钢与滑块的磁钢在测量力方向上的距离，ΔL是导轨底座与滑块在测量时之间的位移量，在本实用新型中，导轨底座的磁钢与滑块底座的磁钢在测量方向上的距离L是固定值，导轨底座与滑块之间的位移量ΔL通过光栅放大后成像到CCD传感器上，设CCD传感器的像素点间距为α，莫尔条纹移动的像素点数量为n，莫尔条纹的放大倍数为B，则滑块与导轨底座的移动量为：

滑块与导轨间磁钢的距离是确定的L，从而计算出其应变量为：

莫尔条纹的放大倍数B可以很大，CCD传感器像素点间的距离α为几微米，从而可实现纳米级的测量，当滑块与导轨间距离L较大，na的值也较大，可实现高精度应变ε的测量。

测量电路由稳压电路、单片机电路、光源驱动电路、无线通讯电路、CCD传感器、CCD驱动电路、电池所组成；稳压电路用于提供应变测量装置工作电压的电路模块；单片机电路是测量电路的核心部件，实现各模块的驱动控制及计算分析，测量电路相关的驱动、分析和计算程序存储于单片机内部的存储器中；光源驱动电路用于本实用新型中光源的驱动，当应变测量装置工作时，驱动光源发光，非测量状态时，光源熄灭，达到节电和延长应变测量装置的使用寿命；无线通讯模块用于将测量数据向其它接收设备进行传输和接收其它设备的控制指令，如测量、清零、传送测量应变值等信息；CCD传感器接收莫尔条纹的图像信息，检测明条纹或暗条纹在CCD传感器上的移动位移，实现莫尔条纹移动距离的检测；CCD驱动电路通过单片机的时序完成对CCD传感器的驱动，并通过单片机接收CCD传感器输出的图像信息，根据图像信息中各像素点信号的状态判定莫尔条纹的移动距离和移动方向，由单片机处理后，将莫尔条纹移动的距离转化为应变值，实现应变测量；电池是为保证应变测量装置所需要的电力供应，也可使用其它电源提供应变测量装置所需要的电源供应。

辅助部件包括机壳、安装支架、螺栓；主要用于整套装置的正确安装、固定的部件。

所述测量软件包括光源驱动程序、CCD传感器驱动，AD采集程序，数字量采集程序、参数设定程序、无线通讯程序、应变计算程序等。光源驱动程序是在测量时点亮和调节光的强度，使莫尔条纹的CCD传感器上的成像清晰稳定；CCD驱动程序主要是单片机按照CCD传感器的工作时序对其进行驱动而产生的时序，使CCD传感器能够正常工作的程序，CCD传感器AD采集程序是将CCD传感器像素点输出的亮度值进行测量，以便调试时掌握莫尔条纹成像时在CCD传感器上形成的亮度值，便于比较电路中二值化信号时可调电阻的调节，CCD传感器数字量采集程序是通过单片机的IO接口直接采集CCD传感器经过比较器后的二值化信号，以便通过高低电平直接获取CCD传感器中的明暗信号；参数设定程序是接收其它测量控制设备发送给应变测量装置的相关参数如像素点间距、导轨底座的磁钢与滑块的磁钢的间距等的***数据，并对该数据进行读取、修改和保存的程序。无线通讯程序是完成应变测量装置与接收设备进行数据交换的程序。应变计算分析程序是用于莫尔条纹在CCD传感器成像后像素点变化状态进行分析，以计算出莫尔条纹在CCD传感器上移动的距离，本实用新型中CCD传感器采用线阵CCD传感器，其输出可以是灰度信息，灰度变化等级为0-255，通过对每个输出像素进行分析，可自动识别莫尔条纹所移动的像素点的个数，计算出莫尔条纹的移动距离，并结合CCD传感器像素点间距、莫尔条纹的放大倍数及导轨底座与滑块间的距离，计算出被测物的应变。

采用上述方案后，本实用新型的增益效果在于：

一、本实用新型采用了导轨和滑块结构，不会因被测物的材料变形、温度、湿度等外在因素造成测量数据不准确，其测量精度具有良好的保持性；位移变化通过光栅形成的莫尔条纹进行放大后变换成较大的位移量，直接通过CCD传感器对莫尔条纹的位移进行测量，因CCD传感器像素点之间的间距是非常精确的，其测量出的位移量也准确可靠，CCD传感器输出可以是灰度信号，通过比较电路处理成二值化信号，形成数字信号，便于单片机的IO口直接读取，可准确判断出莫尔条纹在CCD传感器上的移动距离。测量电路中，均转化为数字信号，工作性能可靠，测量数据准确，无应变片模拟量测量时的零点漂移和温度、湿度的影响。

二、在滑块和导轨上安装的磁钢，测量时只需要直接将应变测量装置吸附在被测物的表面，测量过程中不会对被测物产生附加损伤，测量完成后，将应变测量装置直接取下便可，可进行重复使用，测量过程中，无耗材损耗，节能环保。

三、得益于应变测量装置为一整体结构，具有无线数据通讯功能，采用磁钢吸附于被测物表面，现场测量时，不需要对被测物进行打磨、贴片、布线、焊接等工作，只需直接吸附在被测物表面上，通过无线接收器便可直接读取其测量数据，具有安装方便，测量快捷，极大减轻了测量人员的劳动强度。

四、得益于应变测量装置结构体积小巧，重量轻，在高空测量时，只需通过机器人便可完成安装，不需人工进行高空作业，保障了测量人员的生命财产安全。

五、得益于应变测量装置这一整体，安装方便，测量安装时，无需要专业人员现场安装。

六、本实用新型除用于应变测量外，还可用于微量位移的测量。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的正视示意图。

图2是本实用新型一实施例的立体示意图(省略外壳及螺栓)。

图3是本实用新型一实施例的俯视示意图。

图4是本实用新型一实施例的仰视示意图。

图5是本实用新型一实施例的控制电路的框图。

图6是本实用新型一实施例的电路图。

图7是本实用新型—实施例的软件框图

标号说明：10-滑动部件11-滑块12-弹簧13导轨底座14-磁钢20光学部件21-第一透镜22-动光栅23-静光栅24-第二透镜30测量电路31-光源32-CCD传感器33-电池34-测量电路板40-辅助部件41-CCD光栅支架42静光栅支架43-动光栅支架44-光源支架

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本实用新型做详细的说明。

请重点参阅图1，本实用新型提供一种应变测量装置，包括滑动部件10、光学部件20、测量电路30、辅助部件40和软件50；

所述滑动部件10包括导轨底座13、滑块11、弹簧12、磁钢14；所述光学部件20，包括第一透镜21、静光栅22、动光栅23、第二透镜24；测量电路30包括光源31、CCD传感器32、电池33、测量电路板34；辅助部件40包括光源支架44、动光栅支架43、静光栅支架42、CCD传感器支架41、外壳(图中未画出)、螺栓(图中未画出)；

测量电路板34包括单片机342、存储器343、CCD驱动电路241、光源驱动电路344、电源管理电路346、无线通讯模块345和电池347；软件包括光源驱动程序、CCD传感器驱动、读取程序，通讯程序、应变计算程序，存储于测量电路板的存储器中。

所述滑动部件10在导轨底座13底部安装有磁钢14(也可采用安装架)，滑块11安装在导轨底座13的导轨中，滑块11的底部安装有磁钢14(也可采用安装架)，滑块11底部磁钢14与导轨底座的磁钢14在同一平面，导轨底座13与滑块11由弹簧12确定其初始时的相对位置，在导轨底座13上安装有光源支架44，光源支架上安装有光源31和第一透镜21、静光栅支架42上安装有静光栅23，静光栅23上只有一条光栅线、CCD传感器支架41上安装第二透镜24、CCD传感器32、电池33和测量电路板34，采用螺栓将上述部件分别固定和安装好，然后在其外部安装外壳，除滑块11及其上安装的动光栅22可保持相对运动外，其余部件均固定密封。

所述光学部件20将光源31发出的光经第一透镜21后,将点发散光变成平行光，该平行光经过动光栅22和静光栅23后形成莫尔条纹，并经过第二透镜成像到CCD传感器32上，为实现应变的测量，静光栅23上只有一条光栅线，在CCD传感器32上形成一条莫尔条纹，莫尔条纹的明条纹在CCD传感器32上移动的距离可通过移动的像素点的个数进行计算，因像素点间距离是固定不变的，计算明条纹在像素点移动的距离，经计算后可转换为应变的大小。

所述测量电路30在测量时，驱动光源31发光，经过光学部件20后，静光栅23上只有一条光栅线，因在CCD传感器32上只有一条莫尔条纹移动，通过对线阵CCD传感器32上像素点的输出信号经过二值化处理后，变换成高低电平输出，若明条纹输出为高电平，暗条纹或无光区的像素输出为低电平。像素点输出信号二值化处理便于单片机的IO口直接读取CCD传感器材32的像素信号的进行处理。读取到线阵CCD传感器32输出信号为高电平信号时既为明条纹所在的位置，莫尔条纹移动的距离与应变的计算具体参见实用新型内容。经过测量电路板34的驱动和信号处理后，直接测量莫尔条纹在光栅上移动的像素点的个数，实现移动距离的计算，经过测量电路板34存储器中的程序处理后，自动计算出所测量物体的应变。测量电路板34由单片机342读取存储器343中的程序，按照相应的程序处理功能实现CCD驱动电路241和光源驱动电路344工作，完成应变测量装置的测量工作，并自动计算出测量的应变值，通过无线通讯模块345将测量值进行传送，实现现场无线测量，简化现场测试方案，电池347通过稳压电路346为应变测量装置提供测试所需要的电压、电流，保障应变测量装置正常工作。

所述测量电路由重点参阅图5和图6，由稳压电路、单片机电路、光源驱动电路、无线通讯电路、CCD传感器、CCD驱动电路、电池所组成。应变测量电路由电池B11经开关S11供电，由稳压芯片U1、电容C11，C12，C13，C14，C15，C16组成稳压电路，提供应变测量装置所需要的电源和电压；单处机电路由单片机U2，电容C21，C22，晶体振荡器X21和程序下载接口JP21组成，存储器内置在单片机U2内部；无线通讯电路由通讯模块U3组成；CCD驱动电路由电容C41，C42和与单片机U6相联的IO口组成，实现对CCD传感器U4的时序驱动，CCD传感器U4的输出信号由运算放大器U5，U6、电阻R41，R42，R43，R44，R45，R46，R47，R48、可调电阻R49和三极管Q3组成，实现对CCD传感器U4信号的放大和二值化转换功能；光源驱动电路由电阻R21、R22和三极管Q21组成，通过单片机U2实现对光源L21的驱动控制。

所述稳压电路当开关S11合上时，电池B11通过开关S11将电送到稳压芯片U1变换成应变测量装置所需要的电压，稳压芯片U1左右两边的电容在电路中起到稳压、滤波的作用，保障应变测量装置的可靠工作，当S11断开时，应变测量装置停止工作。

所述单片机电路，单片机U2是整个应变测量装置的处理中心，外接电容C21，C22和晶体振荡器X21构成单片机的工作振荡频率，为单片机提供正常工作的频率信号，存储器内置在单片机U2内部，通过程序下载接口JP2将测量程序下载到单片机U2的存储器中，使单片机按照所编写的程序完成相应的工作。

所述光源驱动电路受单片机U2的脚1所控制，当其为高电平时，通过电阻R21将高电平加到三极管Q21的基极，使三极管Q21工作在导通状态，电压经过电阻R22，光源L21、三极管Q21流回电源地，驱动光源L21发光，同理，当单片机U2的1脚输出为低电平时，通过电阻R21将低电平加到三极管Q21的基极，使三极管Q21工作在截止状态，电压无法经过电阻R22，光源L21、三极管Q21流回电源地，光源L21熄灭。

所述无线通讯电路由单片机U21和无线通讯模块U3所组成，单片机U4通过IO接口完成对无线通讯模块U3的控制，实现外部设备与就变测量装置的数据接收，数据发送功能，实现数据的无线传输。

所述CCD驱动电路由单片机U2的IO与CCD传感器U4的IO接口共同组成，通过单片机U2的IO接口输出CCD传感器U4所需要的工作时序，从而使CCD传感器能够正常工作，并接收莫尔条纹的信号，当CCD传感器U4将接收到莫尔条纹的信号根据单片机U2的时序通过CCD传感器U4的第21脚输出依次输出时，通过电阻R41，R42，R43和三极管Q3组成的放大电路进行放大，并再次经过由电阻R44，R45，R46和运算放大器组成的放大电路再次放大后，一路信号经过电阻R47送到单片机U2的AD接口进行模拟信号接收和采集，供单片机对CCD传感器U4接收莫尔条纹的模拟信号的进行分析使用，另一路经电阻R48，送到由可调电阻R49和运算放大器U6所组成的比较电路中，将CCD传感器U4输出的像素信号转换为高低电平信号，调节可调电阻R49，可以调节CCD传感器U4像素点输出信号转换的阀值，就是将CCD传感器U4接收到莫尔条纹的亮度值设定一个阀值，当亮度值大于设定的阀值时，输出为高电平，当亮度值小于设定的阀值时，输出为低电平，从而将像素点输出的模拟量信号变换成数字信号，通过单片机IO接口便可直接测量高低电平，从而直接获取CCD传感器中的明暗信号，CCD传感器U4的像素点输出信号由单片机U2的IO接口直接接收分析处理。

所述应变测量装置的程序通过程序下载接口JP2下载到单片机U2的存储器中，单片机按照程序的功能完成相应的设备驱动，信号采集、计算，并通过无线通讯模块U3与其它接收设备交换测量数据，完成应变的测量。

测量软件包括光源驱动程序、CCD传感器驱动，AD采集程序，数字量采集程序、参数设定程序、无线通讯程序、应变计算程序等。

所述光源驱动程序是在测量时点亮和调节光的强度，使莫尔条纹的CCD传感器上的成像清晰稳定，停止测量时，熄灭光源灯，节约测量装置的电源损耗。

所述CCD驱动程序主要是单片机按照CCD传感器的工作时序对其进行驱动而产生的时序，该时序根据CCD传感器工作时要需要的时序关系产生，使CCD传感器能够正常工作的程序，CCD传感器正常工作后，其像素点便能正常接收图像信息，完成图像的采集；AD采集程序是将CCD传感器像素点输出的亮度值(或颜色值)通过AD采集器进行采集，获取每个像素点亮度值的大小，便于比较电路中调节可调电阻的大小，使CCD传感器输出的二值化信号满足测试要求；CCD传感器数字量采集程序是通过单片机的IO接口直接采集CCD传感器经过比较器后的二值化信号，通过对有效输出像素点进行高低电平的计数，如果暗条纹或无光时输出为低电平的信号，明条纹输出为高电平，则第一帧输出时高电平所在位置为像素点输出的个数为n₁，第二帧输出时高电平所在位置为像素点输出的个数为n₂，则相莫尔条纹在CCD传感器上的移动位移为(n₁-n₂)α，(α为像素点间距)，可快速分析时明条纹所在的CCD传感器上的位置及移动距离；参数设定程序是接收其它测量控制设备发送给应变测量装置的相关参数，如像素点间距、导轨底座磁钢与滑块磁钢的间距等***数据，并对该数据进行读取、修改和保存的程序。无线通讯程序是完成应变测量装置与无线接收设备进行数据交换的程序。应变计算分析程序是用于莫尔条纹在CCD传感器成像后像素点变化状态进行分析，以计算出莫尔条纹在CCD传感器上移动的距离，并结合CCD传感器像素点间距、莫尔条纹的放大倍数及导轨底座与滑块间的距离，计算出被测物的应变。

本实用新型也可用于微小位移量的测量和地质灾害中地质移动的检测。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (8)

1.一种应变测量装置，其特征在于，包括滑动部件、光学部件、测量电路、辅助部件和测量软件；

所述滑动部件包括导轨底座、滑台、磁钢、弹簧组成；导轨底座和滑台通过弹簧固定在确定相对位置，在导轨底座和滑台底部均安装有磁钢，测量时，通过磁钢吸附在被测物表面；光学部件包括第一透镜、静光栅、动光栅、第二透镜；经测量电路驱动的光源经过第一透镜将点光源变成平行光源，照射到静光栅、动光栅上，形成莫尔条纹，经第二透镜后成像到CCD传感器上，通过测量电路完成莫尔条纹在CCD传感器上移动距离的测量，可实现微小位移或应变的测量；辅助部件包括螺栓、光源支架、静光栅支架、动光栅支架、CCD支架、外壳，所述辅助部件是为满足应变测量装置实现测量功能所需要的安装部件。

2.如权利要求1所述的一种应变测量装置，其特征在于导轨底座和滑台之间安装有弹簧，确定其相对位置。

3.如权利要求1所述的一种应变测量装置，其特征在于导轨底座和滑台分别安装有静光栅和动光栅，两片光栅之间有较小夹角。

4.如权利要求1所述的一种应变测量装置，其特征在于静光栅上只有1条光栅线。

5.如权利要求1所述的一种应变测量装置，其特征在于光栅的莫尔条纹成像于CCD传感器上，由CCD传感器测量莫尔条纹移动的距离。

6.根据权利要求1所述的一种应变测量装置，其特征是：测量电路由稳压电路、单片机电路、光源驱动电路、无线通讯电路、CCD传感器、CCD驱动电路、电池所组成；测量电路由电池B11经开关S11供电，由稳压芯片U1、电容C11，C12，C13，C14，C15，C16组成稳压电路，提供应变测量装置所需要的电源和电压；单处机电路由单片机U2，电容C21，C22，晶体振荡器X21和程序下载接口JP21组成，存储器内置在单片机U2内部的程序存储器中；无线通讯电路由通讯模块U3组成；CCD驱动电路由电容C41，C42和与单片机U6相联的IO接口组成，实现对CCD传感器U4的时序驱动，CCD传感器U4的输出信号由运算放大器U5，U6、电阻R41，R42，R43，R44，R45，R46，R47，R48、可调电阻R49和三极管Q3组成，实现对CCD传感器U4信号的放大和二值化转换功能；光源驱动电路由电阻R21、R22和三极管Q21组成，通过单片机U2实现对光源L21的驱动控制。

7.如权利要求6所述一种应变测量装置，其特征在于：测量电路中CCD传感器采用线阵CCD传感器。

8.如权利要求6所述一种应变测量装置，其特征在于：测量电路中CCD的模拟信号经放大后分为两路，一路输入到单片机U2的模拟量输入接口，另一路经过比较电路后的二值化信号送到单片机U2的IO接口直接处理，提高了单片机对CCD传感器输出信号的处理能力。

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