專利名稱：混凝土溫度－應力試驗機的位移測量裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量領域，特別是一種混凝土溫度-應力試驗機的位移測量裝置及其應用，該裝置為無接觸式激光位移測量裝置。
背景技術：
約束可調式單軸溫度-應力試驗機是一種研究混凝土早期的水化特性、應力發展、變形模量以及徐變等特性的設備。對混凝土試件施加一定的拉壓力或者改變試件的溫度，混凝土試件都將產生一定的形變量。
目前在國內外只有少數幾家公司和大學在從事此產品的開發。在國外，有日本的東京大學和瑞士等相關科研機構在開發該試驗機。在國內，目前只有清華大學土木工程系建筑材料研究所已經開發了該試驗機。但是，國內外在該試驗機的位移測量裝置上都采用了接觸式測量裝置。
混凝土試件形變量的測量精度直接影響約束可調式單軸溫度-應力試驗機的性能。測量精度越高，測量的數據越能更加有效和準確的反映混凝土受溫度和拉壓力變形的特性。目前在接觸式測量裝置中，采用的是接觸式位移傳感器直接固定在機座上，測量探頭接觸在試驗機的活動端上的方式。當活動端內的試件變形時，活動端和測量探頭也相應產生位移。這種測量方式的誤差有三部分組成位移傳感器自身的測量誤差、接觸點形變產生的誤差以及機座形變產生的誤差。因此接觸式位移測量裝置的測量誤差為以上三者誤差之和。
在接觸點形變產生的誤差方面，由于混凝土試件的形變量處于0.05～10μm之間，接觸點形變量處于0.01～1μm之間，因此接觸點形變產生的誤差在0.1％～10％之間，即在最壞的情況下，接觸點形變產生的誤差為10％，則測量的數據嚴重失真。另一方面，混凝土試件的形變量和接觸點形變量存在著重疊的區間，因此一旦混凝土試件的形變量處于0.01～1μm之間，在最壞的情況下，測量的數據反映的完全是接觸點的形變量，而不是混凝土試件的形變量，因此這種接觸式測量方式的測量量程的下限是1μm，即接觸式測量方式測量量程為1～10μm之間，因此接觸點形變將限制整個測量系統的測量量程，從而限制了試驗機的功能，使試驗機無法有效的對高強度混凝土進行研究。
在機座形變產生的誤差方面，由于目前采用的是位移傳感器直接固定在機座上的方式，但是機座通常會受溫度和拉壓力產生一定的形變，這種形變處于0.005～0.1μm之間，產生的誤差為0.05％～1％，當位移傳感器的測量精度為0.5％時，整個測量系統的測量精度仍將大于1.5％。
另外，由于混凝土試件受力后在水平面會產生擺動，目前接觸式測量裝置還沒有考慮到這種擺動對測量精度的影響。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種混凝土溫度-應力試驗機的位移測量裝置及其應用。在非接觸的狀態下，該裝置測量的數據反映的是混凝土試件的形變量，從而能夠真實的反映試驗的結果。
本發明解決其技術問題采用如下的技術方案本發明提供的裝置是混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置，設有兩套相同的測量子系統，它們對稱地分布在混凝土的試件中軸線的兩邊，每個子系統由激光位移傳感器和與試件中軸線平行的碳纖維棒組成。碳纖維棒的一端由固定座裝在試驗機的主機座上，另一端即靠近試件的活動端處安裝激光位移傳感器，其棒體則由固定在主機座上的若干個導向座支撐。激光位移傳感器發射的激光與試件中軸線平行，激光射到活動端的測量點后返回。本裝置測量的數字量由數字接口傳送至上位機或顯示單元處理。
本發明提供的混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置，能夠對混凝土試件進行激光三角法測量或激光干涉法測量。
本發明與現有技術相比具有如下主要的有益效果其一.不存在接觸點，消除了接觸點形變產生的誤差，提高了測量的精度，擴寬了測量的量程。
其二.采用溫度形變系數小的碳纖維棒固定激光位移傳感器，可消除機座形變產生的誤差對位移傳感器測量精度的影響。
其三.整個無接觸式測量裝置的測量誤差和量程完全取決于激光位移傳感器的誤差和量程，且整個無接觸式測量裝置的分辨率不低于0.01μm，測量誤差為0.03％，測量量程下限小于0.05，上限大于10μm。測量的數據反映的是混凝土試件的真實的試驗結果。
其四.測量結果采用數字化接口傳輸，抗干擾能力強。
其五.采用兩套相同的測量子系統，測量結果取兩套測量子系統的平均值，消除了混凝土試件受力后在水平面內擺動帶來的測量誤差。
圖1是混凝土溫度-應力試驗機的位移測量裝置平面示意圖。
圖2是導向座4的左視圖。
圖3是導向座4的俯視圖。
圖4是激光三角法測量位移原理。
圖5是激光干涉測量位移原理圖。
具體實施例方式
本發明提供的裝置是一種混凝土溫度-應力試驗機的無接觸位移測量裝置。
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。
一.混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置其結構如圖1、圖2和圖3所示設有兩套相同的測量子系統，它們對稱地分布在混凝土的試件1中軸線的兩邊，每個子系統由激光位移傳感器5和與試件1中軸線平行的碳纖維棒3組成。碳纖維棒3的一端由固定座2裝在試驗機的主機座上，另一端即靠近試件1的活動端9處安裝激光位移傳感器5，其棒體則與若干個導向座4活動支撐，這樣棒體可以在導向座4的導向孔11內沿棒體軸向方面自由移動。導向座4由螺栓通過孔10使其固定在主機座上。激光位移傳感器5發射的激光7與試件1中軸線平行，激光7射到活動端9的測量點8后返回。本裝置測量的數字量由數字接口6傳送至上位機或顯示單元處理。
上述碳纖維棒3可由聚丙烯腈基碳纖維制成，其長度為0.5～1.5m，直徑為0.5～2cm。數字接口6可選擇RS485接口、RS232接口和USU接口中的一種接口。
本裝置的測量精度高，不低于0.01μm。
二.混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置的應用實施例一無接觸式測量裝置采用激光三角測量法如圖4所示激光發射器12的光束經過聚焦透鏡13聚焦后，射到混凝土試件1的活動端9的某一點后，散射的部分光束經過成像透鏡14后射到電荷耦合器件15上。當活動端9在光束方向上移動了位移x后，相應的在電荷耦合器件15的位移y可計算出來。如圖4直線AD垂直于直線BO，三角形ABO的面積為S＝AD·BO＝AB·AO·sin(π-φ)(1)又有余弦定理得BO2＝AB2+AO2+2·AB·AO·cosφ(2)整理得AD=AB·sinφ·1(ABAO)2+2·ABAO·cosφ+1----(3)]]>當成像透鏡14橫向放大倍率為β時，即y＝β·AD (4)則y=β·AB·sinφ·1(ABAO)2+2·ABAO·cosφ+1----(5)]]>因為AB遠小于AO，則有y＝β·x。
反射的激光在電荷耦合器件15上形成的焦點會隨著混凝土試件1的形變而發生相應的位移，電荷耦合器件15可以感應焦點在傳感器上的位置坐標，主控制電路16將電荷耦合器件15感應的信號轉換成相應的數字量，數字接口6將測量的數字量傳到上位機或顯示單元。
為了減小活動端9受力后在沿中軸線的水平面內擺動帶來的誤差，試件的形變量取兩套測量子系統測量位移量的平均值，即試件的形變量γ＝(y1+y2)/2，其中y1、y2分別是兩套子系統測量的活動端9的位移。
實施方式二無接觸式測量裝置采用干涉測量法如圖5所示由激光發射器17發出的激光束經起偏器18和1/4波片19到達分光鏡22后分成兩條光束，一條為反射光束，另一條為透射光束。反射光束經前置透鏡20和固定反射鏡21后，反射回到分光鏡22。透射光束經前置透鏡23到達混凝土試件1的活動端9后反射回來到達分光鏡22，反射光束和透射光束在分光鏡22處發生干涉后經過聚焦透鏡24后在電荷耦合器件25上形成焦點。
由于反射光束的光程長度不變.而透射光束的光程長度是隨活動端9的移動而改變的。因此當兩束光的光程差是激光半波長的偶數倍時，光束相互疊加而加強，在電荷耦合器件25上形成亮點；當光程差是激光半波長的奇數倍時，兩束光波相互抵消，在電荷耦合器件25上形成暗點。結果，兩束合成光的強度加強或減弱，是兩束光的光程差來決定的。而反射光束的光程是固定不變的，透射光束的光程則隨活動端9的移動距離變化，為此，干涉點的明暗變化，直接可以測量活動端9的位移變化。
活動端9每移動γ/2距離，透射光束的光程就改變了一個波長γ，于是干涉點就產生一個周期的明暗變化，這個明暗變化可由主控制電路26轉換成數字量。所以，由活動端9移動時的干涉點變化的周期數k就可獲得被測物體的位移量y，即y＝k·γ/2。
取兩套測量子系統測量位移量的平均值，然后經數字接口電路6將測量的數字量傳到上位機或顯示單元。
權利要求
1.一種混凝土溫度-應力試驗機的位移測量裝置，其特征是混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置，設有兩套相同的測量子系統，它們對稱地分布在混凝土的試件(1)中軸線的兩邊，每個子系統由激光位移傳感器(5)和與試件(1)中軸線平行的碳纖維棒(3)組成；碳纖維棒(3)的一端由固定座(2)裝在試驗機的主機座上，另一端即靠近試件(1)的活動端(9)處安裝激光位移傳感器(5)，其棒體則由固定在主機座上的若干個導向座(4)活動支撐；激光位移傳感器(5)發射的激光(7)與試件(1)中軸線平行，激光(7)射到活動端(9)的測量點(8)后返回；本裝置測量的數字量由數字接口(6)傳送至上位機或顯示單元處理。
2.根據權利要求1所述的位移測量裝置，其特征在于碳纖維棒(3)由聚丙烯腈基碳纖維制成，其長度為0.5～1.5m，直徑為0.5～2cm。
3.根據權利要求1所述的混凝土溫度-應力試驗機的位移測量裝置，其特征在于數字接口(6)為RS485接口、RS232接口和USB接口中的一種。
4.根據權利要求1所述的混凝土溫度-應力試驗機的位移測量裝置，其特征在于所述的位移測量裝置，其測量精度不低于0.01μm。
5.混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置對混凝土試件(1)進行激光三角法測量，具體是激光發射器(12)的光束經過聚焦透鏡(13)聚焦后，射到混凝土試件(1)的活動端(9)的某一點后，散射的部分光束經過成像透鏡(14)后射到電荷耦合器件(15)上；當活動端(9)在光束方向上移動了位移x后，相應的在電荷耦合器件的位移y計算出來，反射的激光(7)在電荷耦合器件(15)上形成的焦點會隨著混凝土試件(1)的形變而發生相應的位移，電荷耦合器件(15)可以感應焦點的位置坐標，并由主控制電路(16)轉換成相應的數字量，取兩套測量子系統測量位移量的平均值，然后經數字接口(6)將測量的數字量傳到上位機或顯示單元。
6.混凝土溫度-應力試驗機的無接觸式激光位移測量裝置對混凝土試件(1)進行激光干涉法測量，具體是由激光發射器(17)發出的激光束經起偏器(18)和1/4波片(19)到達分光鏡(22)后分成兩條光束，一條為反射光束，另一條為透射光束；反射光束經前置透鏡(20)和固定反射鏡(21)后反射回到分光鏡(22)，透射光束經過前置透鏡(23)到達混凝土試件(1)的活動端(9)后反射回來到達分光鏡(22)，這兩條光束在分光鏡(22)處發生干涉；活動端(9)每移動γ/2距離，透射光束的光程就改變了一個波長γ，于是干涉點就產生一個周期的明暗變化，這個變化為混凝土試件(1)的位移量y，電荷耦合器件(25)感應干涉點的變化，主控制電路(26)將電荷耦合器件(25)感應的電信號轉換成數字量，取兩套測量子系統測量位移量的平均值，然后經數字接口(6)將測量的數字量傳到上位機或顯示單元。
全文摘要
本發明混凝土溫度－應力試驗機的位移測量裝置，設有兩套相同的測量子系統，它們對稱地分布在混凝土的試件(1)中軸線的兩邊，每個子系統由激光位移傳感器(5)和與試件中軸線平行的碳纖維棒(3)組成；碳纖維棒的一端由固定座(2)裝在試驗機的主機座上，另一端安裝激光位移傳感器，其棒體則由主機座上的若干個導向座(4)活動支撐；激光位移傳感器發射的激光(7)與試件中軸線平行，激光射到活動端的測量點(8)后返回；本裝置測量的數字量由數字接口(6)傳送至上位機或顯示單元處理。本裝置采用非接觸式的測量方式，能夠對混凝土試件進行激光三角法測量或激光干涉法測量，并且具有位移測量精度高和抗干擾能力強等優點。
文檔編號G01B11/02GK1804544SQ200510120509
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月22日 優先權日2005年12月22日
發明者陳靜, 胡曙光, 丁慶軍, 王發洲, 周志鋒 申請人:武漢理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
