一種基于三軸傾角定位的空間應(yīng)變測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體材料的三維空間應(yīng)變測(cè)量，尤其涉及一種基于三軸傾角定位的空 間應(yīng)變測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 許多工程都需要在主應(yīng)變方向未知的情況下測(cè)量主應(yīng)變，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中，一般 可通過在同一測(cè)點(diǎn)上精確布置多個(gè)應(yīng)變傳感器來實(shí)現(xiàn)這一目的。然而在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，應(yīng)變 傳感器的安裝常常會(huì)受到安裝位置作業(yè)不便(例如仰焊、仰貼）、施工荷載擾動(dòng)(例如焊接在 鋼筋上的應(yīng)變計(jì)位置容易隨鋼筋方向偏轉(zhuǎn)）、外力沖擊(例如混凝土土振搗)等不利因素的 影響使得所安裝的應(yīng)變計(jì)的安裝軸線很難精確定位，從而導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的測(cè)量方向不準(zhǔn) 確，產(chǎn)生較大誤差。
[0003] 中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2012年08月15日公開了名稱為"三向應(yīng)變測(cè)量 裝置"的專利文獻(xiàn)(公開號(hào):CN102636105A)，其由溫度補(bǔ)償鋼板、工作三向電阻應(yīng)變片、溫度 補(bǔ)償三向電阻應(yīng)變片、塑料保護(hù)罩、絕緣硅膠層、石蠟薄層、不銹鋼外殼、磁鋼、導(dǎo)線緊固環(huán) 以及導(dǎo)線組成;通過貼在溫度補(bǔ)償鋼板上的三片三向電阻防水應(yīng)變片和貼在被測(cè)鋼結(jié)構(gòu)表 面的一片三向應(yīng)變片組成三個(gè)全橋應(yīng)變測(cè)量橋路，來實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的三向應(yīng)變的測(cè)量。 此方案仍然存在應(yīng)變計(jì)安裝軸線難以精確定位從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的主應(yīng)變方向未知或應(yīng)變傳感器難以精確固定 的現(xiàn)場(chǎng)條件下，應(yīng)變計(jì)難以準(zhǔn)確測(cè)量混凝土、地基土等體積材料中主應(yīng)變大小和方向的問 題，提供一種可以在主應(yīng)變方向未知或應(yīng)變測(cè)量設(shè)備的軸線不能精確定位情況下仍然實(shí)現(xiàn) 高精度測(cè)量的基于三軸傾角定位的空間應(yīng)變測(cè)量裝置及方法。
[0005] 針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案進(jìn)行解決：一種基于三軸傾角定位 的空間應(yīng)變測(cè)量裝置，包括基座、空間應(yīng)變傳感器組以及三軸傾角傳感器，所述空間應(yīng)變傳 感器組和三軸傾角傳感器都固定安裝在基座上，所述空間應(yīng)變傳感器組包括六個(gè)應(yīng)變傳感 器，第一應(yīng)變傳感器、第二應(yīng)變傳感器和第三應(yīng)變傳感器的中軸線以不共面的方式相交于 一點(diǎn);第四應(yīng)變傳感器的中軸線處于第一應(yīng)變傳感器的中軸線和第二應(yīng)變傳感器的中軸線 所構(gòu)成的平面上，第一應(yīng)變傳感器的中軸線和第二應(yīng)變傳感器的中軸線分別與第四應(yīng)變傳 感器的中軸線相交;第五應(yīng)變傳感器的中軸線處于第一應(yīng)變傳感器的中軸線和第三應(yīng)變傳 感器的中軸線所構(gòu)成的平面上，第一應(yīng)變傳感器的中軸線和第三應(yīng)變傳感器的中軸線分別 與第五應(yīng)變傳感器的中軸線相交;第六應(yīng)變傳感器的中軸線處于第二應(yīng)變傳感器的中軸線 和第三應(yīng)變傳感器的中軸線所構(gòu)成的平面上，第二應(yīng)變傳感器的中軸線和第三應(yīng)變傳感器 的中軸線分別與第六應(yīng)變傳感器的中軸線相交;基座安裝有應(yīng)變傳感器的面板都與被測(cè)體 固定連接。
[0006] 第一應(yīng)變傳感器的中軸線、第二應(yīng)變傳感器的中軸線和第三應(yīng)變傳感器的中軸線 作為局部坐標(biāo)系的三條軸線。應(yīng)變傳感器在局部坐標(biāo)系中排列成可測(cè)量三個(gè)方向正應(yīng)變和 三個(gè)方向切應(yīng)變的空間應(yīng)變傳感器組，三軸傾角傳感器固定在空間應(yīng)變傳感器組中構(gòu)成一 個(gè)共同旋轉(zhuǎn)和變形的整體。第一應(yīng)變傳感器、第二應(yīng)變傳感器和第三應(yīng)變傳感器主要用于 測(cè)量正應(yīng)變，此三個(gè)傳感器的中軸線交于一點(diǎn)并相互垂直;第三應(yīng)變傳感器、第四應(yīng)變傳感 器和第五應(yīng)變傳感器主要用于測(cè)量切應(yīng)變，此三個(gè)傳感器中的任一傳感器的布置方式為選 取前述三個(gè)應(yīng)變傳感器中的兩個(gè)并與之中軸線共面，但是不平行。
[0007] 作為優(yōu)選，所述基座包括四個(gè)面板，第一面板、第二面板和第三面板相互垂直，第 四面板與第三面板垂直，第一應(yīng)變傳感器安裝在第一面板和第三面板的夾角上，第二應(yīng)變 傳感器安裝在第二面板和第三面板的夾角上，第三應(yīng)變傳感器安裝在第四面板上，第四應(yīng) 變傳感器安裝在第三面板上，第五應(yīng)變傳感器安裝在第一面板上，第六應(yīng)變傳感器安裝在 第二面板上。
[0008] 傳感器貼合在面板上，當(dāng)面板發(fā)生形變時(shí)，傳感器即可檢測(cè)到形變量。
[0009] 作為優(yōu)選，所述三軸傾角傳感器安裝在第一應(yīng)變傳感器的中軸線和第二應(yīng)變傳感 器的中軸線的交點(diǎn)處。
[0010] 三軸傾角傳感器安裝在局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)處，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過程并平衡各個(gè)方向 上的檢測(cè)精度。
[0011] 作為優(yōu)選，所述四個(gè)面板上均開有固定孔，至少一個(gè)面板通過螺栓連接到焊接在 鋼筋上的帶螺孔固定塊上，應(yīng)變傳感器和三軸傾角傳感器表面均勻涂覆有環(huán)氧樹脂。
[0012] 基座的各個(gè)面板都需要固定到被測(cè)體上，面板也可以通過其他方式與被測(cè)體連 接。
[0013] 所述應(yīng)變傳感器為電阻式應(yīng)變傳感器或振弦式應(yīng)變傳感器或光柵式應(yīng)變傳感器。
[0014] 傳感器的具體參數(shù)性能需要根據(jù)待測(cè)體尺寸、測(cè)量精度與測(cè)量環(huán)境的要求進(jìn)行選 擇。
[0015] 一種基于三軸傾角定位的空間應(yīng)變測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0016] a、選擇整體坐標(biāo)系；
[0017] b、將空間應(yīng)變測(cè)量裝置的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系對(duì)齊，記錄三軸傾角傳感器的 初始三軸傾角數(shù)值；
[0018] c、在測(cè)量點(diǎn)固定安裝空間應(yīng)變測(cè)量裝置，安裝完成以后記錄三軸傾角傳感器的固 定三軸傾角數(shù)值;根據(jù)初始三軸傾角數(shù)值和固定三軸傾角數(shù)值解算空間姿態(tài)，求出空間應(yīng) 變測(cè)量裝置安裝之后的局部坐標(biāo)系到整體坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣；
[0019] d、通過讀數(shù)儀讀取每個(gè)應(yīng)變傳感器在所需測(cè)量工況下的讀數(shù)；
[0020] e、在局部坐標(biāo)系下解算出各個(gè)空間應(yīng)變分量，然后依據(jù)三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣對(duì)局部 坐標(biāo)系下的空間應(yīng)變分量進(jìn)行坐標(biāo)變換旋轉(zhuǎn)到整體坐標(biāo)系中，得到整體坐標(biāo)系下的各個(gè)應(yīng) 變分量。
[0021] 作為優(yōu)選，整體坐標(biāo)系的至少一條軸線為待測(cè)體的輪廓線、地磁方向線或建筑物 的軸線。
[0022] 整體坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)根據(jù)測(cè)量要求并考慮操作的便利性，從易于辨識(shí)和校準(zhǔn)且相對(duì)恒 定的定位線中選擇，并在現(xiàn)成用標(biāo)記線標(biāo)出。
[0023] 作為優(yōu)選，所述步驟b中，將空間應(yīng)變測(cè)量裝置局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系對(duì)齊具體 為:將空間應(yīng)變測(cè)量裝置放置于可做三軸傾角調(diào)整的平臺(tái)上，進(jìn)行精細(xì)調(diào)整使得空間應(yīng)變 測(cè)量裝置的三個(gè)局部坐標(biāo)軸分別平行于整體空間坐標(biāo)系的軸線。
[0024] 作為優(yōu)選，步驟c中，固定安裝空間應(yīng)變測(cè)量裝置時(shí)將三軸傳感器所在位置作為固 定中心點(diǎn)牢固固定在待測(cè)體內(nèi)部的測(cè)點(diǎn)上，限制空間應(yīng)變測(cè)量裝置的平移。
[0025] 三軸傳感器安裝完以后不能發(fā)生平動(dòng)位移，但是可以視現(xiàn)場(chǎng)條件容許發(fā)生少量轉(zhuǎn) 動(dòng)位移。
[0026] 作為優(yōu)選，步驟d中，讀取到各個(gè)應(yīng)變傳感器的讀數(shù)之后，根據(jù)當(dāng)前溫度對(duì)讀數(shù)進(jìn) 行修正，然后進(jìn)行后續(xù)步驟。
[0027] 各個(gè)應(yīng)變傳感器的讀數(shù)讀取應(yīng)同步進(jìn)行，并考慮溫度變化對(duì)應(yīng)變讀數(shù)的影響以提 高測(cè)量精度，如上述裝置使用中仍有發(fā)生偏轉(zhuǎn)的可能性，應(yīng)同時(shí)讀取記錄三軸傾角傳感器 的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)參數(shù)。
[0028] 本發(fā)明所帶來的實(shí)質(zhì)性效果是，裝置可在室內(nèi)預(yù)先精確組裝后再拿到現(xiàn)場(chǎng)使用， 因而適應(yīng)性強(qiáng)、精度高，可兼容現(xiàn)有應(yīng)變測(cè)量設(shè)備和三軸傾角感應(yīng)設(shè)備，求出空間應(yīng)變分量 的大小和方向的步驟簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于降低了安裝空間應(yīng)變傳感器時(shí)的安裝角度和軸線對(duì) 中要求，簡(jiǎn)化了傳感器安裝的步驟，能夠更好地節(jié)省測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間和減少測(cè)量誤差。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明的一種基于三軸傾角定位的空間應(yīng)變測(cè)量裝置示意圖；
[0030]圖2是本發(fā)明的另一種基于三軸傾角定位的空間應(yīng)變測(cè)量裝置示意圖；
[0031] 圖中：1、第一應(yīng)變傳感器，2、第二應(yīng)變傳感器，3、第三應(yīng)變傳感器，4、第四應(yīng)變傳 感器，5、第五應(yīng)變傳感器，6、第六應(yīng)變傳感器，7、第一面板，8.第二面板，9、第三面板，10、第 四面板，11、三軸傾角傳感器，21、第一應(yīng)變計(jì)，22、第二應(yīng)變計(jì)，23、第三應(yīng)變計(jì)，24、第四應(yīng) 變計(jì)，25、第五應(yīng)變計(jì)，26、第六應(yīng)變計(jì)，27、金屬基座，28、支桿。