应变式切应力仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种切应力仪，具体涉及一种应变式切应力仪。
【背景技术】
[0002] 当材料在外力作用下不能产牛位移时，它的几何形状和尺寸将发牛变化,这种形 变称为应变（Strain)。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外 力，定义单位面积上的这种反作用力为应方（Stress)。或物体由于外因（受力、湿度变化 等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图 使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称 为应力（Stress)。按照应力和应变的方向关系，可以将应力分为正应力_ 〇和切应力T，正 应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。床面切应力是水流和泥沙运动 的重要参数，试验研究中常需进行测量。
[0003] 床面切应力的测量手段大致可分为直接测量法和间接测量法。直接测量通过测量 应力板位移等方法来计算切应力大小。间接测量是通过测量水体底部边界层内脉动流速大 小，然后通过理论公式计算切应力。Sealthm通过测量边界层内水平方向脉动流速，然后 计算得到床面切应力。秦崇仁等 [2]通过切应力板测量了随机波浪作用下底床切应力大小。 MirfendereskandYoung[3]也通过切应力板直接测量了光滑床面和粗糙床面的切应力。霍 光自行设计了一套切应力板测量装置，可直接测量波浪作用下不同时刻底床切应力大小。 切应力间接测量的结果精度取决于流速测量的精度和用来换算切应力与水流速度理论的 可靠度，由于边界层内脉动流速量测较为困难、精度不高及其所基于的理论假定不完善，所 以间接测量法在实际研究中应用较少。通过应力板直接测量床面切应力方法，虽说从测量 原理上更能让人理解接受，但是也存在测量结果受水面波动引起正压力变化对切应力测量 的影响等问题。
[0004] 以往切应力测量仪通常在平板两端布置应变片，利用应力应变关系测量床面切应 力。由于通过应变测量平板受力，在测量板的两端存在一定空隙，将受到前后压差的影响， 测量结果中会包含这种压差形成的水平力，因此，在对测量结果进行分析时，应减去这个水 平力，才能得到所需的切应力。由于这种压差形成的水平力相对于切应力来讲不一定是个 小量，并且难以通过理论计算得到，由此测量得到的床面切应力可能会产生一定的偏差，复 杂床面这一偏差将更加明显。
[0005] 上述由直接测量法制作的切应力仪主要存在三个缺点，一是在水动力作用下，测 力板的侧面所受的作用力与面板所受的切应力相比不是小量，因此不可忽略，但又较难准 确获得；二是不能模拟不同糙度床面对切应力的影响；三是切应仪上水平与垂向力相互干 扰。其中尤以第一问题较难解决，往往采用允许测力板滑动的方法或采用一些假定计算得 到侧面作用力，而这两种处理方法的可靠性均存在疑问。
[0006]
【发明内容】
本实用新型的目的是提供一种新结构的应变式切应力仪，本实用新型采 用微型压力仪与切应力仪同步测量，解决水流切应力与侧向作用力分离的关键技术，研制 出可以直接测量床面切应力和不同床面糙度的切应力的应变式切应力仪。本实用新型中 侧面所受的作用力很小，可以忽略；同时，本实用新型能够模拟不同糙度床面对切应力的影 响；本实用新型的结构与原理，消除了切应仪上水平力与垂向力的相互干扰。
[0007] 完成上述发明任务的技术方案是：一种平板结构的应变式切应力仪，其特征在于， 在所述切应力板的水流来流方向设有四个高精度压力传感器，该四个高精度压力传感器与 切应力板共同构成测力平台，该测力平台的输出接信号采集器，再接电脑。
[0008] 本实用新型上述结构的设计思路是：采用微型压力仪与切应力仪同步测量，得到 侧向作用力，进而直接得到作用在床面上的切应力；通过加大切应力板尺寸，可以得到不同 床面糙度的切应力；采用相应的电桥路设计，减少水平与垂直力的相互干扰。
[0009] 本实用新型具有以下优化方案：
[0010] 所述切应力板设置在一个矩形外框中，该矩形外框的水流来流方向设有四个通 孔，所述的四个高精度压力传感器设置在该四个通孔中；
[0011] 所述矩形外框采用防水型矩形外框；
[0012] 所述矩形外框下面设有防水型底板；
[0013] 所述信号采集器采用A/D型信号采集卡；
[0014] 所述高精度压力传感器及四个通孔的直径，均采用2_;
[0015] 本实用新型的电路采用本文桥路设计，无论全桥，还是半桥，其输出电压的变化与 高精度压力传感器(应变片）的电阻变化都是呈线性的。
[0016] 所述测力平台的基本参数见表1。
[0017] 表1测力平台基本性能参数表
[0018]
[0019]压力式切应力仪测量系统包括测力平台本体、信号采集器器、线缆、加密锁和数据 采集分析软件等，系统示意图见图3。
[0020] 测力平台标定：
[0021] (1)测力平台传感器静态标定：
[0022] 静态标定系统的整体结构如图4所示，主要包括静态标定台、测力台传感器、信号 测量及放大装置、A/D数据采集卡、计算机数据采集处理软件等。
[0023] 静态标定时，测力平台与标定台的底座固连，在测力仪上方加重块，并用细线牵 弓丨，细线末端加砝码，线中端经定向滑轮将水平方向的牵引力转为水平方向上的力。用砝码 连续加载，可以得到切应力与仪应变间关系。测力台传感器的应变值通过组桥电路反应出 来，电压信号经过放大电路变为可采样的大量程电压值，经A/D采样后输入计算机，由软件 进行分析处理。
[0024] (2)防水型测力台误差分析
[0025] 1)测力台的静态特性
[0026]对测力台施加500g到1500g砝码，分别进行两次测量，从测力台加力试验结果看， 显示力值与实际加力值的误差<I2.08|，传感器的线性误差、重复性误差和滞后误差见表 2。试验分析表明，测力台的综合精度在0. 2%以下，基本满足试验要求。
[0027] 表2传感器误差数据
[0028]
[0029] 实用新型的优点是：解决了水流切应力与侧向作用力分离的关键技术，研制出了 可以直接测量床面切应力和不同床面糙度的切应力的压力式切应力仪。本实用新型中侧面 所作用的水动力可通过水流缓冲槽，使得其力很小，可以忽略，必要时可通过测量静水压力 消除二端水头差引起的水压力不等问题；同时，本实用新型能够模拟不同糙度床面对切应 力的影响；本实用新型的结构，消除了切应仪上水平力与垂向力的相互干扰。
【附图说明】
[0030] 图1为测力平台外观图；
[0031] 图2为测力平台内部结构图；
[0032] 图3为压力式切应力测量系统示意图；
[0033] 图4为防水型测力台标定系统组成框图。
【具体实施方式】
[0034] 实施例1，应变式切应力仪参照图1-图4,设有切应力板1，该切应力板1设置在一 个矩形外框2中，该矩形外框2的水流来流方向4设有四个2mm通孔，每个通孔中设有一个 高精度压力传感器3 (图中的3表示通孔及其中的高精度压力传感器)，该四个高精度压力 传感器与切应力板共同构成测力平台，该测力平台5的输出经数据线6接信号采集器7,再 通过网线9接电脑。所述矩形外框采用防水型矩形外框；所述信号采集器采用A/D型信号 采集卡；本实用新型的电路采用本文桥路设计，无论全桥，还是半桥，其输出电压的变化与 高精度压力传感器(应变片）的电阻变化都是呈线性的。图3中的8为220V交流电；10为 加密锁。
[0035]将以上设计结果交给机械工艺工程师研究加工可行性，并编排加工工艺，加工时 尽量采用数字化的加工设备保证精度，并对每只机械加工零件完成后关键尺寸进行检验， 完成仪器的制作。仪器制作完成后，对仪器进行标定。标定参数的范围结合实际测试用途， 分析受力原理，确定需加力的所有位置及方式；确定整个标定过程的操作流程，设计标定所 需要的夹具及加力零件，并结合以往经验设计标定数据的计算方法。
【主权项】
1. 一种应变式切应力仪，设有切应力板，其特征在于，在所述切应力板的水流来流方向 设有四个高精度压力传感器，该四个高精度压力传感器与切应力板共同构成测力平台，该 测力平台的输出接信号采集器，再接电脑。2. 根据权利要求1所述的应变式切应力仪，其特征在于，所述切应力板设置在一个矩 形外框中，该矩形外框的平行或垂直于水流来流方向处设有四个通孔，所述的四个高精度 压力传感器设置在该四个通孔中；在压力仪侧面设有减少侧向水动力作用的缓冲槽，使得 可能影响切应力测量精度的侧向水动力较小，以至于可以忽略。3. 根据权利要求1所述的应变式切应力仪，其特征在于，所述矩形外框采用防水型矩 形外框。4. 根据权利要求3所述的应变式切应力仪，其特征在于，所述矩形外框下面设有防水 型底板。5. 根据权利要求1所述的应变式切应力仪，其特征在于，所述信号采集器采用A/D型信 号采集卡。6. 根据权利要求1所述的应变式切应力仪，其特征在于，所述高精度压力传感器及四 个通孔的直径，均采用2_。7. 根据权利要求1-6之一所述的应变式切应力仪，其特征在于，本应变式切应力仪的 电路采用桥路设计，其输出电压的变化与高精度压力传感器的电阻变化都是呈线性的。8. 根据权利要求7所述的应变式切应力仪，其特征在于，所述电路采用桥路设计，是指 采用全桥电路，或是半桥电路。
【专利摘要】应变式切应力仪，设有切应力板，特征是在所述切应力板的水流来流方向设有四个高精度压力传感器，该四个高精度压力传感器与切应力板共同构成测力平台，该测力平台的输出接信号采集器，再接电脑。优化方案的切应力板设置在一个矩形外框中，该矩形外框的水流来流方向设有四个通孔，所述的四个高精度压力传感器设置在该四个通孔中。本实用新型解决了水流切应力与侧向作用力分离的关键技术，研制出了可以直接测量床面切应力和不同床面糙度的切应力的压力式切应力仪。本实用新型中侧面所受的作用力很小，可以忽略；同时，本实用新型能够模拟不同糙度床面对切应力的影响；本实用新型的结构与原理，消除了切应仪上水平里与垂向力的相互干扰。
【IPC分类】G01L1/22
【公开号】CN204788745
【申请号】CN201520519157
【发明人】窦希萍, 左其华, 周益人, 黄海龙, 应强, 杨东利
【申请人】水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月17日