压缩变形测量装置的设计论文_吴敬

吴 敬

长春富奥万安制动控制系统有限公司 吉林长春 130103

摘要：压缩变形的测量涉及工程实验应用、教学实验以及科研实验各个方面，本文针对压缩变形试验测量内容的需要，对压缩变形测量装置进行了借鉴与设计，从装置的外观结构、内部电路及元器件组成框架出发进行了设计，以满足实际压缩变形测量精度及稳定性的要求，也更有利于后期的数据处理等工作。

关键词：压缩变形；应变；测量装置

引言

随着科学技术的不断进步以及生产的发展的迫切需要，无论在工程建筑领域还是机械加工制造领域，在前期设计前需要进行大量的实验以获得最基础的设计参数，尤其需要测量各种变形参数，特别是应变参数，以用于后期的设计计算与模拟。因此应变测量作为最基础的支撑数据，渗透到科研和工程实际中。有大型桥梁应变测量的应用设计、有利用有限应变测量技术进行变形测量计算的手段应用、利用有限应变测量技术进行花岗岩长石矿物应变测量研究的新技术研究、有航空航天领域高超声速飞行器在高温条件下应变特性测量的研究、复杂应力条件下应变测量和数据处理方法的研究分析，以及利用光纤技术实现更高精度应变测量的应用研究[1-7]，这些都表明应变测量的技术渗透到科研及工程领域的各个方面，本文从压缩变形的测量的要求出发，从外观结构进行设计以及内部元器件的组成框架进行设计，最终实现压缩变形时的应变测量。

1 结构组成设计

首先对试验装置的外观进行设计，分为测量系统和显示控制系统。测量系统的结构可参见图1左侧部分示意图，由32个通道组成。控制及显示系统由显示部分和按键控制部分组成，可参见图1在右侧部分示意图。

图1 压缩变形试验装置的机构设计原理图

2采集系统设计

压缩变形试验装置是测量应变信号的仪器，应变测量的基本原理是用金属应变片测量岩石试样表面的应变，由于阻值变化引起电桥不平衡，产生差动信号，经放大处理后，显示出应变值。该部分需要对岩石试样的轴向和径向应变进行监测和测量，需要设计一个方便监测测量应变的装置，如上图5所示，应变试验装置最的主要目的是测量岩石试件轴向和径向应变数据。其基本原理是当一定长度的电阻丝在受到外力作用被拉伸时，由于长度和截面面积发生了变化，导致电阻丝的阻值发生变化。这时用连接电阻丝的电路来测量电阻丝两端的电压值，就会得到电阻丝两端微小的电压差。反之，通过测量岩石试件上电阻丝的两端电压变化，可以得到相应电阻丝阻值的变化，由于变形前后的电阻值差值与为变形之前的原始电阻值之比与岩石试件的轴向和径向的相对变化量存在一定的线性关系，即与应变值存在线性关系。通过间接的测量电阻丝电阻值的相对变化量，再根据线性关系求出应变值，最终得到岩石试件的横向与径向的应变值。根据受力与应变之间的关系计算得到岩石试件的弹性模量和泊松比。应变测量的原理图下图所示，其中，Uin代表输入供桥的电压：

图2 压缩变形测量的工作原理图

岩石压缩应变试验装置器内部元器件及电路设计是一个比较复杂精确的检测系统，因为岩石属于脆性材料，一般在变形不是很大的情况下，会发生脆性破坏，这就要求岩石压缩应变测量装置精度高、并且在测量时仪器的稳定性能好。该压缩变形试验装置初步设计的原则是满足岩石力学的实验教学功能，并降低制作成本。其主要的组成框架有下面几个部分组成，首先电阻丝两端的被测电压经测量电桥，由放大器进行模拟放大（可以有效的抑制噪声信号，提高了信噪比，从而减小了噪声对有效信号的影响）、经过模数转换器转换后（通过选择集成芯片对数码管以及键盘进行集成控制，可以减少元器件空间布置，更有利于整合），最终由单片微机进行数据的采集及标定计算处理，最后将标定后的数据结果进行显示并保存。其中，最重要的部分应该就是微处理器，作为核心控制部件，它的主要作用就是控制对测量通道的选择（测试通道根据实验内容情况可进行16道或者32道选择），以及对测量数据的接收与处理，最终控制进行数据输出。从控制元器件进行采集，到数据的接收处理，再到最后的数据显示，都由这个核心组件协同控制完成。其组成原理框架图由下图7所示。本压缩变形试验装置采用了直流电桥、低漂移高精度放大器及单片机技术，能够很好的满足测量精度高及测量过程稳定性好。主要的仪器技术指标如下：应变测量范围为-20000~20000；测量精度范围为小于测量值±（0.2%±2个字）；灵敏度系数为2.5±0.3；长时间稳定性波动范围为±1；分辨率为±1/每个字，满足实际的室内压缩变形的要求。

图3 压缩变形仪的主要元器件的组成框架图

3 结论

本文从压缩变形试验装置的测试的目的意义出发。对试验装置的外观结构进行设计，到试验装置内部元器件的组成框架进行设计，再到测量数据的处理以及显示进行设计，最终形成了一套完整的压缩变形装置。实现了高精度、高稳定性的要求，满足了实际常规力学变形试验的测试需要，具有一定的借鉴与指导意义。

参考文献：

[1]淡丹辉，何广汉. 基于静态应变测量 桥梁结构传感器优化布置法[J]. 智能建筑与城市信息，2002（2）：53-56.

[2]解国爱，贾东，吴晓俊，et al. 构造模拟实验中的光纤应变测量[J]. 地质通报，2007，26（5）：520-525.

[3]王建华，胡大琳，白鹏翔. 桥梁静动载试验应变测量新技术[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2006，25（2）：16-19.

[4]王云斌，梁明宏，霍勤知，et al. 利用变形花岗岩体中的长石矿物进行有限应变测量初探[J]. 西北地质，2004，37（2）：19-24.

[5]吴东，陈德江，张松贺，et al. 高超声速飞行器典型部位高温应变测量[J]. 导弹与航天运载技术，2012（2012 年 06）：30-33.

论文作者:吴敬

论文发表刊物:《防护工程》2019年19期

论文发表时间:2020/2/27

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