一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量方法

摘要

本发明公开了一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量方法。步骤一：在可测轴系两端面任选可测距离的三点安装三个拉线式位移传感器，分别为传感器A、传感器B和传感器C；被测轴系端面选择可测相对距离的三点安装三个拉线式位移传感器，分别为传感器D、传感器E和传感器F；步骤二：测量可测端面上的3个位移，测量两个端面间可测9个相对位移；步骤三：发生位移后，重复步骤二，计算得到空间位移和角度变化量。本发明可根据使用需求，实现轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量，测量成本较低，使用灵活方便，适用性强。

说明书

技术领域

本发明属于轴系工程构件测量领域，尤其涉及一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构 件端面空间位移和角度变化量测量方法。

背景技术

船舶轴系是船舶中动力装置的重要组成部分，安装质量将直接影响主机和轴系运转的持 久性和可靠性。近年来，由于船舶轴系设计、布置和安装施工工艺不当、生产工艺低下、生 产设备相对落后、操作检修失误、测量工具和检测方法落后，船舶火灾、爆炸和机舱淹水事 故时常发生。因此轴系部位的安装工艺在船舶制造过程中很是重要。在轴系的设计、布置和 安装过程中，轴系理论中心线是不可缺少的标准。轴系理论中心线是通过主机曲轴中心,同时 又通过艉轴系(或人字架)的中心的直线。安装时一般先利用红外射线或照光法确定轴承或法 兰位置，再根据其焊接轴系。目前轴系在安装的过程中主要采用定位小车安装法、吊排法和 双高架吊车吊装法，这些方法和制造工艺还稍微落后，因此轴系安装时产生的误差还很大。 另外，船航行时，各种意外也会使轴的某一处产生变形。按时测量轴系端面位移和角度的变 化量会避免船舶事故发生；确定轴系杆件的安全强度后继续使用又会节约造船成本。然而， 这些轴系工程构件的外表面常常附着保护层或隔热层，无法使用电阻应变片或光学方法进行 位移和角度变化量的测量，这就需要其他的方法来测量该变化量。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、操作简单的，基于拉线式位移传感器的轴系工程构件 端面空间位移和角度变化量测量方法。

一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量方法，包括 以下步骤，

步骤一：在可测轴系两端面任选可测距离的三点安装三个拉线式位移传感器，分别为传感器 A、传感器B和传感器C；被测轴系端面选择可测相对距离的三点安装三个拉线式位移传感 器，分别为传感器D、传感器E和传感器F；

步骤二：将可测端面三个拉线式位移传感器互连，可得到3个长度L_AB、L_BC和L_CA，分别将传 感器A与传感器D、传感器E和传感器F相连获得3个长度L_AD、L_AE和L_AF，将传感器B与 传感器D、传感器E和传感器F相连获得3个长度L_BD、L_BE和L_BF，将传感器C与传感器D、 传感器E和传感器F相连获得3个长度L_CD、L_CE和L_CF，记录这12个长度；

步骤三：发生位移后，重复步骤步骤二，计算得到空间位移和角度变化量。

本发明一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量方 法，还可以包括：

1、空间位移和角度变化量分别为：

Δ_L＝L₁-L₂

Δ_α＝α₁-α₂

Δ_β＝β₁-β₂

其中，(L₁，α₁，β₁)为位移发生前的端面位置，(L₂，α₂，β₂)为位移发生后的位置，L₁形 心距离，α₁为△DEF相对△ABC的翻转角，β₁为DE相对于AB的相对角。

2、形心距离L₁：

$L_1=\sqrt{L_X^2+L_Y^2+L_Z^2}$

$L_X=\frac{X_D+X_E+X_F-X_B-X_C}{3}$

$L_Y=\frac{Y_D+Y_E+Y_F-Y_C}{3}$

$L_Z=\frac{Z_D+Z_E+Z_F}{3}$

△ABC的形心O₁坐标和△DEF的形心O₂坐标为：

$O_1\left(\begin{array}{ccc}\frac{X_B+X_C}{3},& \frac{Y_C}{3},& 0\end{array}\right)$

$O_2\left(\begin{array}{ccc}\frac{X_D+X_E+X_F}{3},& \frac{Y_D+Y_E+Y_F}{3},& \frac{Z_D+Z_E+Z_F}{3}\end{array}\right)$

△DEF相对△ABC的翻转角α₁：

$Alpha={\alpha }_1=\arccos \left(\frac{1}{N^2+M^2+1}\right)$

(N，M，1)为△DEF的法向量，

DE相对于AB的相对角β₁：

$Beta={\beta }_1=\arctan \left(\frac{Y_E-Y_D}{X_E-X_D}\right)$

其中，(X_D，Y_D，Z_D)为传感器D坐标，(X_E，Y_E，Z_E)为传感器E坐标，(X_F，Y_F， Z_F)为传感器F坐标。

有益效果：

本测量方法可根据使用需求，实现轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量，测量 成本较低，使用灵活方便，适用性强。

附图说明

图1为具体实施中模拟位移装置中为总体拉线式位移传感器安装图；

图2为具体实施中法兰盘示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明目的是一种基于拉线式位移传感器测量轴系工程构件端面空间位移和角度变化量 方法。

本发明的原理：首先，在可测轴系两端面任选可测距离的三点安装三个拉线式位移传感 器，被测轴系端面选择可测相对距离的三点安装三个拉线式位移传感器。这六个传感器放置 的位置可以任意选择，可设计两个法兰盘安装在轴系端面。取可测端面的传感器位置为A、B、 C，被测端面的传感器位置为D、E、F。然后，将可测端面三个拉线式位移传感器(A、B、 C)互连，可得到3个长度(L_AB、L_BC、L_CA),分别将A与D、E、F相连获得L_AD、L_AE、L_AF， 然后将B与D、E、F相连获得L_BD、L_BE、L_BF，将C与D、E、F相连获得L_CD、L_CE、L_CF。

此时利用海伦公式，求三角形ABC面积，求形心位置Y_C和X_C。

由空间解析几何可知D(X_D，Y_D，Z_D)点坐标满足

$X_D^2+Y_D^2+Z_D^2=L_{AD}^2---\left(1\right)$

${(X_D-L_{AB})}^2+Y_D^2+Z_D^2=L_{BD}^2---\left(2\right)$

${(X_D-X_C)}^2+{(Y_D-Y_C)}^2+Z_D^2=L_{CD}^2---\left(3\right)$

同理，可以求解出X_E，Y_E，Z_E及X_F，Y_F，Z_F。

然后，求出△DEF的法向量(N，M，1)，

$N=\frac{(Z_F-Z_D)(Y_E-Y_D)-(Z_E-Z_D)(Y_F-Y_D)}{(X_E-X_D)(Y_F-Y_D)-(Y_E-Y_D)(X_F-X_D)}---\left(4\right)$

$M=\frac{(Z_F-Z_D)(X_E-X_D)-(Z_E-Z_D)(X_F-X_D)}{(X_F-X_D)(Y_E-Y_D)-(Y_F-Y_D)(X_E-X_D)}---\left(5\right)$

接下来计算△ABC的形心O₁坐标和△DEF的形心O₂坐标，

$O_1\left(\begin{array}{ccc}\frac{X_B+X_C}{3},& \frac{Y_C}{3},& 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

$O_2\left(\begin{array}{ccc}\frac{X_D+X_E+X_F}{3},& \frac{Y_D+Y_E+Y_F}{3},& \frac{Z_D+Z_E+Z_F}{3}\end{array}\right)---\left(7\right)$

计算形心距离，

$L_X=\frac{X_D+X_E+X_F-X_B-X_C}{3}---\left(8\right)$

$L_Y=\frac{Y_D+Y_E+Y_F-Y_C}{3}---\left(9\right)$

$L_Z=\frac{Z_D+Z_E+Z_F}{3}---\left(10\right)$

形心距离L₁，

$L_1=\sqrt{L_X^2+L_Y^2+L_Z^2}---\left(11\right)$

△DEF相对△ABC的翻转角α₁，

$Alpha={\alpha }_1=\arccos \left(\frac{1}{N^2+M^2+1}\right)---\left(12\right)$

DE相对于AB的相对角β₁，

$Beta={\beta }_1=\arctan \left(\frac{Y_E-Y_D}{X_E-X_D}\right)---\left(13\right)$

当外界因素会使△DEF相对于△ABC的位置发生变化时，通过两次测量两个三角形的相 对位置，可以求出发生位移前后位置的变化量。即计算完位移发生前的位置(L₁，α₁，β₁) 之后，再利用位移发生后的12个可测量(L_AB、L_BC、L_CA、L_AD、L_AE、L_AF、L_BD、L_BE、L_BF、 L_CD、L_CE、L_CF)，运用上述计算方法，可求得位移发生后的端面位置(L₂，α₂，β₂)。

那么我们就可以计算得位移发生前后的端面位置变化：

Δ_L＝L₁-L₂(14)

Δ_α＝α₁-α₂(15)

Δ_β＝β₁-β₂(16)

最终，通过变形前后两次分别测量L_AB、L_BC、L_CA、L_AD、L_AE、L_AF、L_BD、L_BE、L_BF、L_CD、 L_CE、L_CF这12个距离，获得空间位移和角度变化量Δ_L，Δ_α，Δ_β。因此获得了轴系工程构 件端面空间位移和角度变化量。

一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量方法，它涉 及空间解析几何原理，利用拉线式位移传感器，测量两个端面间可测相对位移，完成轴系工 程构件端面空间位移和角度变化量测量。

基于空间解析几何原理，只需被测端面与可测端面空间位置的相对位移，即可完成轴系 工程构件端面空间位移和角度变化量测量。

拉线式位移系两个端面各三个的移传感器的布置方法，只需使用拉线传感器获得被测端 面和可测端面任意三点相对距离以及，可测端面已选可测三点的距离，即可获得被测端面无 法直接测量的位移和角度，进而获得空间位移和角度变化量。

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实验步骤，还允许各种重新设计实验

(1)将在两个被测端面，图1所示，安装在高精度水平实验台上。

(2)任意在两个法兰盘上分别选择三个位置安装六个位移传感器，图2所示。

(3)打开位移传感器采集装置。

(4)将位移传感器调零。

(5)用位移传感器的钢丝依次连接AB、BC、AC，并记录显示器上显示的各个线段的长度。

(6)依次用位移传感器的钢丝连接AD、AE、AF、BD、BE、BF、CD、CE、CF，并记录 显示器上显示的各个线段的长度。

(7)并重复步骤5，记录数据。

(8)按照步骤6的定量重复步骤6，记录数据。

(9)将拉线式位移传感器拆下

(10)将传感器采集装置关闭。

图1为具体实施中模拟位移装置中为总体拉线式位移传感器安装图，包括被测轴1，位 移传感器2，法兰盘3。

一种基于拉线式位移传感器的轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量方法，它涉 及空间解析几何原理，利用分布在两个端面各选3点安装共6个拉线式位移传感器，分别取 为A、B、C、D、E、F，测量可测端面上的3个位移(L_AB、L_BC、L_CA)，测量两个端面间可 测9个相对位移(L_AD、L_AE、L_AF、L_BD、L_BE、L_BF、L_CD、L_CE、L_CF)，完成轴系工程构件 端面空间位移和角度变化量测量。测量方法按以下方式进行：首先在轴系工程构件的两端分 别安装三个拉线传感器，用拉线式位移传感器依次连接可测端面的三点距离，并记录3个线 段的长度，然后依次用相互连接两端面的位移传感器，并记录9个线段的长度，通过计算获 得轴系工程构件端面空间位移和角度，进而获得空间位移和角度变化量。本测量方法可根据 使用需求，实现轴系工程构件端面空间位移和角度变化量测量，测量成本较低，使用灵活方 便，适用性强。