一种应变式结构内部截面转角传感器及其标定方法
【专利摘要】本发明涉及一种截面内力测量传感器及标定方法，其包括底板、顶板，所述底板、顶板面积大小相等，上下彼此相对；所述顶板和底板之间设有四根竖向测力杆和四根斜向测力杆，所述各测力杆的两端设有内螺纹，分别通过螺栓直接连接在所述顶板和底板之间；所述各测力杆上粘贴有若干单轴应变片；通过记录所测试截面处各测力杆上的应变片的应变输出值，根据标定的校核矩阵，即可得到所测试截面上的各内力分量。本发明结构简单合理，通过检测测力杆上的应变，测定测试截面的内力，安装可靠、稳定，成本低，能满足土木工程结构任意截面内力测试需要。
【专利说明】一种应变式结构内部截面转角传感器及其标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程领域，具体的说是一种应变式结构内部截面转角传感器及其标定方法。
【背景技术】
[0002]地震是对人类威胁最大的自然灾害之一，尤其是近年来地壳进入了活跃期，国内外发生多次大地震，如2008年汶川8.0级地震，2010年青海玉树7.1级地震、海地太子港
7.3级地震、智利8.8级地震，2011年日本9.0级地震等造成了大量的人员伤亡及财产损失，其中各类建筑物、构筑物的破坏和倒塌，是造成人员伤亡及直接经济损失的最主要原因。因此，我们必须采取有效的措施来提高我们房屋结构的安全性，这就要求我们有效的把握结构房屋的抗震能力，结构试验和健康监测是目前把握结构抗震性能的有效手段。然而，上述两种手段均需要获得大量的结构反应参数以更精确的把握结构性能。目前，土木结构位移、速度、加速度以及应变等参数的采集有大量的传感器可以选用，而对于结构截面转角的测量仪器还很少，且大部分需要安装在所测试截面上，限制了结构内部截面转角的测试。孙伟等(基于DICM的钢管混凝土框架梁柱连接的转角测量与分析研究，第25卷第8期Vol.25 N0.8，工程力学)采用数字图像、激光等技术设计非接触式的截面转角传感器，记录相关参数后转化成相应截面转角，这种方式所用仪器价格很高，且处理手段复杂，很难实时实现与计算机的数字数据传输。此外，在汽车制造业和机器人领域有大量的角度测量传感器(如“一种水平角度传感器”，申请号20122064735.1 )，但是这些传感器设计复杂、制作成本高，很难直接应用的土木工程领域内。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的是克服了上述现有技术价格昂贵、操作安装复杂、不能应用于土木工程领域结构内部截面转角测试的不足，提供一种结构合理，拆卸方便，安装可靠、稳定，成本低的应变式结构内部截面转角传感器及其标定方法。
[0004]本发明解决上述技术问题的技术解决方案是:一种应变式结构内部截面转角传感器，其特征在于:其包括扁梁、固定端连接块、自由端连接体；所述扁梁一端为平面固定端，另一端为圆柱形自由端，扁梁中间主体上粘贴有若干单轴应变片；所述扁梁固定端通过螺栓与固定端连接块连接固定，扁梁自由端通过滚轴与自由端连接体活动连接；所述固定端连接块、自由端连接体分别与结构内部所测试截面两侧的预埋件固定连接；通过记录所测试截面处扁梁上单轴应变片的应变输出值，根据标定的校核系数左，即可得到所测试截面上的转角。
[0005]本发明所述扁梁为等强度梁，其截面宽度随截面距扁梁自由端的距离呈线性变化。
[0006]本发明所述扁梁中间主体上的单轴应变片粘贴在靠近扁梁固定端的位置，沿着扁梁长度方向上下对应各粘贴两片，四片单轴应变片采用惠斯登全桥接法连接。[0007]本发明所述固定端连接块上设有一侧开口的U形槽，U形槽上下侧板面上分别设有螺栓连接孔，上侧板面为可弹性变形的薄钢片。这样通过连接螺栓连接扁梁固定端时，可保证通过U形槽有效压紧扁梁固定端，从而实现与扁梁固定端的固结连接。
[0008]本发明所述自由端连接体包括有竖向滑块、水平滑块、十字连接件和凸环连接件，所述竖向滑块和水平滑块上设有滑槽；所述滚轴安装在凸环连接件上的两个凸环中，滚轴中间设有一通孔，扁梁圆柱形自由端穿过该通孔；所述凸环连接件通过螺栓和螺母配合可移动安装在水平滑块的滑槽中；所述水平滑块一端与十字连接件上的横梁通过螺栓连接固定，所述十字连接件通过螺栓和螺母配合可移动安装在竖向滑块的滑槽中。这样可实现扁梁圆柱形自由端在自由端连接体上的调节移动，从而可以始终保证扁梁纵向中心线与所测试截面保持一致。
[0009]本发明上述应变式结构内部截面转角传感器的标定方法，其特征在于:首先通过螺栓将扁梁和固定端连接块固定连接；随后，将固定端连接块固定在试验台座上；之后，将加载装置安装在扁梁自由端，同时记录加载点距固定端的距离I ;而后通过加载装置使扁梁产生变形，同时测得扁梁应变片的应变输出值F、加载点的加载位移」根据几何关系
θ=Δ/l,将测得的加载位移转化为截面的转角值a，取转角值α和应变输出值进行线性拟
合，得到校核系数。本发明根据每次测得的应变输出值，以及标定的校核系数，即可得到所测试截面的转角。
[0010]本发明结构合理，拆卸方便，安装可靠、稳定，成本低，是一种理想的应变式结构内部截面转角传感器及其标定方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明的组成结构示意图。
[0012]图2为本发明中固定端连接块的结构示意图。
[0013]图3为本发明中扁梁的结构示意图。
[0014]图4为本发明等强度扁梁设计原理图。
[0015]图5为本发明中自由端连接体结构示意图。
[0016]图6为图4中十字连接件结构示意图。
[0017]图7为图4中凸环连接件结构示意图。
[0018]图8为本发明在框架上的安装使用状态示意图。
[0019]图中标号为:1.固定端连接块；1-1.螺栓孔；1-2.U形槽；2.扁梁；2_1.螺栓连接孔；2-2.固定端；2-3.中间主体，2-4.自由端；2-5.单轴应变片；3.自由端连接体；3-1.竖向滑块；3-2.水平滑块；3-3.十字连接件；3-3-1.导向凸起；3-3-2.连接孔；3-3-3.螺栓孔；3-4.凸环连接件；3-4-1.导向凸起；3_4_2.螺栓孔；3_4_3.凸环；4.滚轴；5螺栓；6.框架柱；7.框架梁。
【具体实施方式】
[0020]从图1可以看出，一种应变式结构内部截面转角传感器，其包括固定端连接块1，扁梁2，自由端连接体3等。所述固定端连接块1、自由端连接体3通过螺栓、吸附、焊接等手段分别与结构所测试截面两侧的预埋件固定连接。
[0021]从图2可以看出，本发明所述固定端连接块I上设有一侧开口的U形槽1-2，U形槽上下侧板面上分别设有螺栓连接孔1-1，上侧板面为可弹性变形的薄钢片。下侧板面则为固定厚钢板。这样通过连接螺栓连接扁梁固定端2-2时，可保证通过U形槽有效压紧扁梁固定端，从而实现与扁梁固定端的固结连接。所述固定端连接块I作为扁梁固定端的支撑端，其刚度必须确保与之相连的扁梁固定端在外力作用下不发生变形。
[0022]从图1、图3可以看出，本发明所述扁梁2—端为平面固定端2-2，另一端为圆柱形自由端2-4，扁梁中间主体2-3上粘贴有若干单轴应变片2-5 ;平面固定端2-2上设有螺栓连接孔2-1。所述扁梁固定端2-2通过螺栓与固定端连接块连接固定，扁梁自由端2-4通过滚轴4与自由端连接体3活动连接。
[0023]从图3、图4可以看出，本发明所述扁梁3优选等强度梁，等强度梁为其截面宽度随截面距扁梁自由端的距离呈线性变化。这样可实现扁梁中间主体任意截面处应变输出值相同，方便应变片的粘贴，相应的也增加了本发明的测试精度。具体设计原理如图4所示:设扁梁的厚度为自由端施加的力为K等强度梁的自由端离任意截面A-A的距离为a则
扁梁在该截面宽度b设计为:? = ，其中= Bjl ,B为扁梁固定端部宽度，7为扁梁固定端
到自由端长度。根据材料力学知识可知，任意截面处的应变为
【权利要求】
1.一种应变式结构内部截面转角传感器，其特征在于:其包括扁梁、固定端连接块、自由端连接体；所述扁梁一端为平面固定端，另一端为圆柱形自由端，扁梁中间主体上粘贴有若干单轴应变片；所述扁梁固定端通过螺栓与固定端连接块连接固定，扁梁自由端通过滚轴与自由端连接体活动连接；所述固定端连接块、自由端连接体分别与结构内部所测试截面两侧的预埋件固定连接；通过记录所测试截面处扁梁上单轴应变片的应变输出值，根据标定的校核系数I即可得到所测试截面上的转角。
2.根据权利要求1所述应变式结构内部截面转角传感器，其特征在于:所述扁梁为等强度梁，其截面宽度随截面距扁梁自由端的距离呈线性变化。
3.根据权利要求1所述应变式结构内部截面转角传感器，其特征在于:所述扁梁中间主体上的单轴应变片粘贴在靠近扁梁固定端的位置，沿着扁梁长度方向上下对应各粘贴两片，四片单轴应变片采用惠斯登全桥接法连接。
4.根据权利要求1所述应变式结构内部截面转角传感器，其特征在于:所述固定端连接块上设有一侧开口的U形槽，U形槽上下侧板面上分别设有螺栓连接孔，上侧板面为可弹性变形的薄钢片。
5.根据权利要求1所述应变式结构内部截面转角传感器，其特征在于:所述自由端连接体包括有竖向滑块、水平滑块、十字连接件和凸环连接件，所述竖向滑块和水平滑块上设有滑槽；所述滚轴安装在凸环连接件上的两个凸环中，滚轴中间设有一通孔，扁梁圆柱形自由端穿过该通孔；所述凸环连接件通过螺栓和螺母配合可移动安装在水平滑块的滑槽中，所述水平滑块一端与十字连接件上的横梁通过螺栓连接固定，所述十字连接件通过螺栓和螺母配合可移动安装在竖向滑块的滑槽中。
6.—种权利要求1所述应变式结构内部截面转角传感器的标定方法，其特征在于:其特征在于:首先通过螺栓将扁梁和固定端连接块固定连接；随后，将固定端连接块固定在试验台座上；之后，将加载装置安装在扁梁自由端，同时记录加载点距固定端的距离7 ;而后通过加载装置使扁梁产生变形，同时测得扁梁应变片的应变输出值c加载点的加载位移根据几何关系θ=Δ/l.，将测得的加载位移转化为截面的转角值』取转角值』和应变输出值L进行线性拟合，得到校核系数。
【文档编号】G01B7/30GK103791827SQ201410064371
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】陈再现, 韩光, 方韬, 陈家辉, 王瑞 申请人:哈尔滨工业大学（威海）