一种弯曲式应变放大机构及其使用方法与流程

本发明属于工程测量领域、传感器领域，具体为一种将直线形变应变值按比例放大为弯曲形变应变值并且使信噪比不变，但系统误差减小的弯曲式应变放大机构及其使用方法。

背景技术：

缩略语和关键术语定义：

(1)弯曲式应变放大机构(Bending Strain Amplification Mechanism，可简写为BSAM)。

(2)相对误差(relative error)：相对误差指的是测量所造成的绝对误差与被测量〔约定〕真值之比。乘以100％所得的数值，以百分数表示。一般来说，相对误差更能反映测量的可信程度。相对误差等于测量值减去真值的差的绝对值除以真值，再乘以百分之一百。

(3)系统误差(system error，简称SE)：系统误差是在一定的测量条件下，对同一个被测尺寸进行多次重复测量时，误差值的大小和符号保持不变；或者在条件变化时，按一定规律变化的误差。系统误差是与分析过程中某些固定的原因引起的一类误差，它具有重复性、单向性、可测性。系统误差的特点是测量结果向一个方向偏离，其数值按一定规律变化。

(4)应变(strain)：物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。应变有正应变(线应变)，切应变(角应变)及体应变。本文所说的是正应变，即单位长度的伸长，用ε表示，计算公式为δ＝L_b-L₀，式中L₀是物体变形前的长度，L_b是物体变形后的长度，δ是变形后的伸长量，ε单位为1,AD方向产生应变大小为ε₀，D点测点(放在最左端或者最右端均可)产生应变大小为ε₁。

(5)δ是变形后的伸长量,参见(4)，单位同长度单位。

(6)推导实例示意图中：L₁:A、D的距离；L₂：BC梁长度；2y为BC梁宽度；粗箭头表示被测物体变形方向(测点A、D的连线方向)。

(7)k为本弯曲式应变放大机构的应变放大系数，表示本机构测量应变值相对实际结构测点发生应变值大小的放大倍数，单位为1，θ：由刚性杆和弹性梁连接方式决定的系数，固定连接为24，简支连接为12，其余连接方式在12～24之间，通过实验测定标定θ,进而确定应变放大系数k。

在工程测量领域，需要测量各个方向的力与力矩，而传统方法通过应变片测得弹性梁的拉压、弯凹和扭转三种变形方式下的应变值，来获得所需的应力数据。但当机构刚度很大，机构发生的应变很小，若直接在机构测点上粘贴应变片来测量应变大小，由于现有的应变片的灵敏度不够，会导致测量值准确度不高。而应变放大机构可解决这一问题，该机构原理是指在不影响被测试件应变的条件下，通过变形传递使某部位(一般为弹性体)机械应变以一定比例放大被测试件应变，从而满足应变片的灵敏度要求。

应变放大的应用领域包括称重传感器、机械机构变形监测、各种大型工程机构疲劳损伤监测。采用应变放大技术对工程机构表面应变测量时，应变放大机构需要满足大型工程机构具有长寿命、低应力应变的工程特点。

现有的应变放大机构主要包括中间收缩变截面放大机构、位移集中放大机构、槽形放大机构、弓形应变放大机构、单分量应变放大机构。中间收缩变截面放大机构使该截面缩小处产生应变集中而起到应变放大作用；位移集中应变放大机构两端为大刚度金属片,中间是软质填充材料，填充材料是疲劳设计重点，其两端粘贴在金属上；槽形变形元件应变放大机构,中间部分腐蚀加工成机构槽沟,应变片贯穿在槽沟的上面；单分量应变放大机构四周是刚度很大的梁，中间设置弹性应变梁用以放大框架上指定方向测点的应变。

变截面倍增器机构刚度过大,放大系数小,容易发生疲劳破坏；位移集中放大机构的机构复杂，可靠性和整体性差,制造工艺难以控制，易损坏；槽形变形元件应变放大机构放大倍数与寿命受槽沟数量的多少与尺寸加工精度、连接出的应力集中等因素影响，放大倍数的范围仅是2-10倍，加工难度大,成本高,结构本身容易产生疲劳破坏；单分量应变放大机构整体笨重，安装制作不便，限制了其使用范围，由于周围竖向干扰力众多，其受噪声影响很大，会增大测量值的系统误差。

综上所述现有的应变放大机构存在机构过于复杂，受环境噪声干扰会增大系统误差，易疲劳破坏，导致安装支座困难，测量的应变值不准确，测量灵敏度降低，测量装置使用寿命短等缺点。在测量大型工程结构的微小应变时，现有机构放大的测量值和环境温差应变值是一个数量级，导致相对误差过大，现有应变放大测量装置难以满足大型工程结构长寿命、低应力应变的工程特点，需要重新设计新的测量机构形式。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种弯曲式应变放大机构及其使用方法，本发明机构简单，制作方便，轻巧易用，加贴应变片后，可以沿所测量物体的应变方向将该机构固定在各种需要测量微小应变的物体表面，安装简单快捷，固定牢靠，使用十分灵活方便。该机构测量时环境噪声引起的相对误差与直接使用应变片测量相比不变，但系统误差相对测量值的比值减小，降低了测量的相对误差，进一步提高精度。本专利还通过构件连接方式的改变提高测量装置的疲劳寿命。本专利可以测量大型工程结构的微小应变，由于测量的系统误差减小，保证很好的测量灵敏度，提高测量值的准确性，具有很高的工程应用价值。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种弯曲式应变放大机构，包括刚性杆，刚性杆的一端固定连接有弹性梁的一端。

进一步的改进，所述刚性杆为两个，两个刚性杆的一端分别与弹性梁的两端固定。

进一步的改进，所述刚性杆为两个，两个刚性杆的一端相互固定，另一端分别与弹性梁的两端固定连接形成三角形，弹性梁的中部成形有安装孔。

进一步的改进，所述弹性梁的长度与宽度之比为。

进一步的改进，所述刚性杆和弹性梁通过螺栓连接机构连接固定。

进一步的改进，所述刚性杆和弹性梁焊接固定。

一种弯曲式应变放大机构的使用方法，将弯曲式应变放大机构的两点固定在被测物体上作为固定点，其中至少一个固定点设置在刚性杆上；与刚性杆固定连接的弹性梁连接有应变测量装置。

进一步的改进，所述刚性杆的一端与弹性梁的一端固定连接；刚性杆的另一端和弹性梁的另一端固定在被测物体上；应变测量装置安装在弹性梁中部。

进一步的改进，所述刚性杆为两个，两个刚性杆的一端分别与弹性梁的两端固定连接；两个刚性杆的另一端分别固定在被测物体的不同部位；应变测量装置安装在弹性梁中部。

进一步的改进，所述刚性杆为两个，两个刚性杆的一端分别与弹性梁的两端固定连接；两个刚性杆的另一端相互固定；弹性梁上设置有安装孔；两个刚性杆的相互固定处和安装孔固定在被测物体上；应变测量装置安装在弹性梁中部

本发明具有如下优点:

(1)对比现有的应变放大机构，弯曲式应变放大机构装置简单，制作方便，轻巧易用，可以沿所测量物体的应变方向将该机构固定在各种需要测量微小应变的物体表面。由于结构简单，便于更换构件，方便维修；若有承受循环压力要求，构件可采用螺栓连接，减少应力集中，增加测量机构的疲劳寿命。

(2)弯曲式应变放大机构可以把实际应变值放大测量，相对于使用应变片直接测量和现有的应变放大机构，本机构环境噪声引起的相对误差不变，但系统误差减小，进一步提高了测量精度。

(3)本专利可以测量大型工程结构的微小应变，亦可应用称重测量、医学测量、机械结构测量等等。对比现有的应变放大机构，由于本机构系统误差减小，保证很好的测量灵敏度，提高测量值的准确性。本专利具有极大的工程应用价值，在其他许多领域都有潜在的应用价值。

附图说明

图1为实施例1的弯曲式应变放大机构示意图；

图2为实施例2的弯曲式应变放大机构示意图；

图3实施例3的弯曲式应变放大机构示意图；

图4为刚性杆与弹性梁通过螺栓连接机构连接的结构示意图；

图5为实验标定装置的结构示意图。

本专利权力范围不局限于实施例1-3的三种方案。

图中：1、2-刚性杆，3-弹性梁，4-BC梁上应变测点，5-安装孔，6-固定点，7-螺栓连接机构；A,D，A1,E1,A2,D2为固定在机构上的测点位置；B,C,B1,C1,B2为弹性梁与刚性杆连接点，可采用焊接、螺栓连接等方式；D1为B1C1中点；C2为B2D2中点；应变测点4位置可根据需要选取，并不限制在弹性梁中点和边缘处，粗箭头表示被测物体变形方向以测点的连线方向表示，L₁:A、D的距离；L₂：弹性梁长度即BC梁的长度、B1C1梁的长度；L₃:刚性杆1、2的长度；L₅:A2、D2距离。

具体实施方式

以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。

实施例1

如图1所示的一种弯曲式应变放大机构，包括刚性杆1，刚性杆1的一端固定连接有弹性梁3的一端。

使用时，刚性杆和弹性梁3的另一端分别固定在待测物品的不同位置，弹性梁3上安装应变测量装置如应变计等。待测物品受压力发生形变时，刚性杆1与弹性梁3固定在待测物品上的两个固定点6即A2、D2两点之间的距离发生改变。由于刚性杆1不发生形变，且两个固定点6及刚性杆1与弹性梁3连接处构成了稳定的三角形状，则A2、D2的变化导致弹性梁3发生弯曲。图1中的箭头即表示待测物品的受力方向，也即其形变方向。

由于弹性梁3的长度远小于被测物体，因此被测物体的应变被弹性梁3放大，从而更容易和更精确的被应变计测得。应变计测得的数据除以弯曲式应变放大机构的放大系数，即得到被测物体的应变大小。

而由于A2、D2两点的距离、刚性杆1和弹性梁3的长度均可测量，刚性杆1和弹性梁3之间的θ值可通过实验测得，因此可通过计算得到弯曲式应变放大机构的放大系数k。

弯曲式应变放大机构的放大系数k也可通过实验标定方法实测得到。

对实施例1中的应变放大系数进行推导：

如图1所示，B2D2为弹性梁，其宽度为2y，E为B2D2梁的弹性模量，I为梁惯性矩，B2D2梁抗弯刚度为E与I的乘积，记为EI。A2B2为刚性杆；

将A2、D2两点固定于待测机构，当机构在A2D2方向发生大小为ε₀的应变时，D2点将相对A2点发生大小为δ＝ε₀L₅的变形,A2B2为刚性杆，不发生变形，即B2点相对于A2不发生变形，由对称性，C2点将相对D2点沿A2D2方向发生大小为δ₂＝ε₀L₅/2的变形。

对于固支梁B2D2，将B2D2划分为两个单元B2C2和D2C2，利用位移法易得C2点的弯矩M为：

则C2点应变为：

同理易得，若B2D2为简支梁，则

记B2D2为简支梁时θ为6，B2D2为固支梁时θ为12，其余情况θ在6～12之间，则ε₁＝kε₀。于是通过合理选择L₅,L₂,y的值，可以得到放大的应变读数。

示例：

为满足梁理论，取即跨高比为3。可得

取L₅＝20cm,L₂＝3cm,y＝5mm，θ在6～12之间，可得k＝6.67～13.33，该放大系数还是比较大的。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上，所述刚性杆1,2为两个，两个刚性杆1,2的一端分别与弹性梁2的两端固定连接；两个刚性杆的另一端分别固定在被测物体的不同部位如；应变测量装置安装在弹性梁2中部。当A1,E1之间发生应变时，被放大到弹性梁2上，然后被应变计测得，之后根据应变放大机构的放大系数k即可得到被测物体的应变大小。

对实施例2中的应变放大系数进行推导：

如图2所示，B1C1为弹性梁，其宽度为2y，E为B1C1梁的弹性模量，I为梁惯性矩，B1C1梁抗弯刚度为E与I的乘积，记为EI。E1B1和A1C1为刚性杆，抗弯刚度记为为E₁I₁；

将A1、E1两点固定于待测机构，当机构在A1E1方向发生大小为ε₀的应变时，E1点将相对A1点发生大小为δ＝ε₀L₂的变形。

对于固支梁E1B1，由结构对称性知E1相对于E1A1中点发生δ₂＝ε₀L₂/2的变形,利用位移法易得B1点的弯矩M为：

结构力学知识：D1点的弯矩M₁＝M。

则D1点应变为：

记则ε₁＝kε₀。于是通过合理选择L₂,L₃,y，的值，可以得到放大的应变读数。

示例：

为满足梁理论，取即跨高比为3。

取L₃＝10cm,L₂＝3cm,y＝5mm，可得

可得k＝18，该放大系数还是比较大的。

实施例3

如图3所示，两个刚性杆的一端分别与弹性梁2的两端固定连接；两个刚性杆的另一端相互固定；A点和D点固定在被测物体上。弹性梁2上设置有安装孔5；两个刚性杆的相互固定处A点和安装孔5处D点固定在被测物体上；应变测量装置安装在弹性梁2中部。

以此为例讲述本专利的原理：

如图3所示，AB、AC为刚性杆；BC为弹性梁称为BC梁，其宽度为2y，E为BC梁的弹性模量，I为BC梁惯性矩，BC梁抗弯刚度为E与I的乘积，记为EI。

将A、D两点固定于待测机构，当机构在AD方向发生大小为ε₀的应变^[1]时，D点将相对A点发生大小为δ＝ε₀L₁的变形^[2]。

对于固支梁BC，将BC划分为两个单元BD和DC，利用位移法易得D点的弯矩M为：

则D点应变为：

同理易得，若BC为简支梁，则

记θ见注释7，则ε₁＝kε₀。于是通过合理选择L₁,L₁,y的值，可以得到放大的应变读数。

示例：

为满足梁理论，取即跨高比为3。可得

取L₁＝10cm,L₂＝3cm,y＝5mm，θ在12～24之间，可得k＝6.67～13.33，该放大系数还是比较可观的。

如上所述，本发明公开了一种弯曲式应变放大机构，该机构包括两根刚性杆AB和AC，和一根弹性梁BC，由上述理论推导可知，将A、D点固定于待测机构上，可转化为D点的应变，即原应变乘上一个放大系数。

在本实施方案中，因D点被挖孔以固定在结构的测量点上，使得弹性梁不均匀，这导致系数k不能由理论推导直接获得，但该值可以在实验室通过实验标定方法实测得到，实验标定示意图见图5，用液压千斤顶在梁上加载力F，在应变测点5处粘贴应变片测量出实际应变，具体标定方法方法为：一、当F＝0，即不加载时，作为测量环境噪声的对照组，测量出5点的应变值ε₀；二、重新在5处粘贴应变片，F不等于0，逐级加载F，依次读出4点的应变值ε₁并记录；三、在5处安放固定好应变放大机构，应变放大机构测点上粘贴好应变片，同二中一样的加载力F，依次读出应变放大机构测点4上的应变值ε₂并记录；对二和三中对应加载力F相同的应变值代入下式依次计算放大系数K，并绘制不同应变对应的K值曲线，找出线性变化范围作为有效应变放大范围。

若AD的抗拉刚度太大可能影响机构力学行为，但对于大型机构不必担忧，并可选用较软的材料制作BC杆。在本实施方式中，所述的刚性杆、弹性梁采用不同材料，如AB、AC可以采用钢材料，弹性梁可以采用铝。能够使刚性杆AB、AC尽量减少形变，使弹性梁BC得到实验想得到的形变效果。满足跨高比大于3的梁为非深梁，但深梁也可采用此机构，且将得到更大的放大倍数。

应选用全桥4片应变片的接法。中航电测有0.02级的高精度应变片和焊接式应变片，后者用于金属构件应该更方便和稳定。当然也可以用螺栓机构取代焊接来简化装配和维修，如附图4

若用螺栓结构连接刚性杆和弹性梁，由于螺栓连接比焊接连接的转动能力稍好，由结构力学知识，连接处传递弯矩能力减小，弹性梁中间测量点处的弯矩会减小，应变片测量值也会减小，即放大倍数减小。但是螺栓结构连接可避免焊接结构的焊接缺陷和应力集中，测量机构的疲劳寿命将会提高，适用于循环下对测量机构疲劳寿命有较高要求的情况，可根据实际工程测量需要选取不同连接方式。

在本实施方式中，其中刚性杆和弹性梁为固接在一起的整体机构，刚性杆尽量不发生形变，刚性杆沿应变方向的变形通过弹性梁的形变来反应，弹性梁发生的应变放大反应所测物体的应变，在需要测量微小应变的物体表面粘贴此弯曲应变放大机构，并且将应变计贴于同一位置的旁边，进行对比试验，实验结果表明，使用弯曲式应变放大机构采集的数据精度明显高于直接粘贴应变计的数据精度，并且灵敏度也更高。

综上所述，该弯曲式应变放大机构具有机构简单、灵敏度高、精度高等优点，可广泛用于微小应变测量等领域。最大意义是在放大倍数的作用下，相对环境噪声不变，但相对系统噪声减小。

参考文献：

[1]胡明敏,张明,罗艳丽,李训涛.桥梁疲劳监测传感器设计[J].传感器与微系统,2007,(04):64-66+69.

[2]Ueda,Jun；Secord,Thomas W.；Asada,H.Harry.Large effective-strain piezoelectric actuators using nested cellular architecture with exponential strain amplification mechanisms[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,v 15,n 5,p 770-782,October 2010.

[3]S.C.Cowin,S.Weinbaum,,Yu Zeng.A case for bone canaliculi as the anatomical site of strain generated potentials[J].Journal of Biomechanics,Volume 28,Issue 11,November 1995,Pages 1281–1297.

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制，弯曲式应变放大机构提出了一种把直线形变转变为弯曲形变的机构，通过机械机构的改变对被测的微小应变量进行放大，对于选用不同的材料、尺寸、形状或形式、焊接或螺栓机构等限制，凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均在权利保护范围之内。

上述仅为本发明的一个具体导向实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明的保护范围的行为。