一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置

摘要

本发明公开了一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置，底座为方形板状，上面设置有若干条互相平行的排孔；第一固定框和第二固定框均为中空的方框状结构，二者平行布置，均固定于底板上；第一游标测量尺固定在第一固定框上，第二游标测量尺固定在第二固定框上；第一直线轴承、第一滑动杆、第一约束环一起产生竖直方向的上下移动；第二直线轴承、第二滑动杆、第二约束环一起产生水平方向的左右移动；第一支撑杆和第二支撑杆位于第一固定框和第二固定框之间，用于提供支撑。本发明可以得到实际变形与变形测量杆敏感元件感知的应变之间的准确对应关系，可以同时开展竖直和水平两个方向的变形施加，且两个方向的变形施加和读取互不干扰。

说明书

技术领域

本发明属于测试标定和信息处理技术领域，具体涉及一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置。

背景技术

变形信息监测对很多重大土木工程、结构工程的服役状态、安全评估及维护起着至关重要的作用，如桥梁桥身的变形状态、边坡内部的土体变形状态等关键安全信息的监测。变形测量杆是一种内部布置有应变片、光纤光栅等敏感元件的柔性杆，通过这些敏感元件感知柔性杆在变形状态下产生的弯曲应变，结合变形反演算法，可以根据感知的弯曲应变来反推出变形信息，实现变形的测量。

现有技术中存在的主要问题包括：

目前，变形测量杆的反演算法包括基于应变信息的曲率计算算法、基于应变信息的梁单元算法等理论算法。但是由于变形测量杆在制备过程中，不可避免的会有制造误差，比如柔性杆的加工误差、应变片或光纤光栅的贴片误差等。对于这些无法量化的误差，采用现有的理论反演算法进行形状反推时，就会产生较大的计算误差，导致形状反演结果不准确，非常不利于实际工程的变形安全信息监测，迫切需要专门的实验校准装置来对变形测量杆实施测试标定，得到真实的变形与敏感元件输出之间的实际对应关系，以便准确的开展工程监测。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置，解决了现有的变形测量杆通过理论反演算法进行变形计算误差大、缺乏专门的标定装置的技术问题，可以得到实际变形与变形测量杆敏感元件感知的应变之间的准确对应关系，可以同时开展竖直和水平两个方向的变形施加，且两个方向的变形施加和读取互不干扰。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置，包括底座、第一固定框、第二固定框、第一游标测量尺、第一直线轴承、第一滑动杆、第一约束环、第二游标测量尺、第二直线轴承、第二滑动杆、第二约束环、第一支撑杆和第二支撑杆；所述底座为方形板状，上面设置有若干条互相平行的排孔；所述第一固定框和第二固定框均为中空的方框状结构，二者平行布置，第一固定框、第二固定框均固定于底板上；所述第一游标测量尺固定在第一固定框上，所述第二游标测量尺固定在第二固定框上；所述第一直线轴承固定在第一游标测量尺上，所述第一滑动杆为一端带有内螺纹孔的光滑圆轴，置入第一直线轴承内，可自由滑动；所述第一约束环与第一滑动杆一端的内螺纹孔固定；所述第二直线轴承固定在第二游标测量尺上；所述第二滑动杆为一端带有内螺纹孔的光滑圆轴，置入第二直线轴承内，可自由滑动；所述第二约束环与第二滑动杆一端的内螺纹孔固定；所述第一支撑杆和第二支撑杆的尺寸及结构相同，均为一端带有外螺纹的光杆结构，位于第一固定框和第二固定框之间，用于提供支撑。

进一步地，所述底座上的排孔设有四条，分别是第一排孔、第二排孔、第三排孔、第四排孔，每条排孔均由等间距的若干通孔组成；处于四条排孔中的相同序号的通孔互相对应；

所述第一固定框底部的框条上设置有四个第一固定框底部螺孔，与底座上面的四条排孔对应，右侧框条的上方长度超出上方框条，并且右侧框条两端的右侧面上设置有侧面凸台，侧面凸台上设置有侧面凸台螺孔，左侧框条和右侧框条的上部分别设置有支撑螺孔；

所述第二固定框底部的框条上设置有四个第二固定框底部螺孔，与底座上面的四条排孔对应，上方框条的右方长度超出右边框条，并且上方框条两端的上表面上设置有顶部凸台，顶部凸台上设置有顶部凸台螺孔，左边框条和右边框条的上部分别设置有支撑通孔；

第一固定框、第二固定框均通过螺钉固定于底板上，在底板上面装配后，第一固定框中的两个支撑螺孔与第二固定框中的两个支撑通孔分别同心对应。

进一步地，所述第一游标测量尺包括游标测量尺固定尺、游标测量尺滑动端、锁紧螺钉，游标测量尺固定尺的两端设置有两个通孔，与第一固定框上的两个凸台螺孔对应，通过螺钉将第一游标测量尺固定在第一固定框的右侧；游标测量尺滑动端的一侧手柄上设置有三个圆心位于同一直线上的通孔；游标测量尺滑动端上面还设置有供锁紧螺钉拧入的螺纹通孔，通过拧紧锁紧螺钉，将游标测量尺滑动端固定于游标测量尺固定尺上。

进一步地，所述第一直线轴承为带有固定座的圆筒结构，固定座上面设有2个通孔，与游标测量尺滑动端的一侧手柄上设置的三个通孔中两侧的通孔对应，采用螺栓螺帽将第一直线轴承固定在游标测量尺滑动端上；圆筒结构的圆心与游标测量尺滑动端的一侧手柄上设置的三个通孔中中间的通孔对应。

进一步地，所述第一约束环为带有一个约束环通孔的圆环结构，约束环通孔通过螺钉与第一滑动杆一端的内螺纹孔固定。

进一步地，所述第二游标测量尺与第一游标测量尺的尺寸及结构相同；所述第二直线轴承与第一直线轴承的尺寸及结构相同；所述第二滑动杆与第一滑动杆的尺寸及结构相同；所述第二约束环与第一约束环的尺寸及结构相同；所述第二游标测量尺固定于第二固定框的上方。

优选地，所述第一支撑杆的螺纹端与第一固定框中的左侧框条上的支撑螺孔配合，另外一端与第二固定框中左边框条的支撑通孔过盈配合；所述第二支撑杆与第一支撑杆的尺寸及结构相同，第二支撑杆的螺纹端与第一固定框中的右侧框条上的支撑螺孔配合，另外一端与第二固定框中右边框条的支撑通孔过盈配合。

优选地，通过移动第一游标测量尺上的游标测量尺滑动端，带动第一直线轴承、第一滑动杆、第一约束环一起产生竖直方向的上下移动；通过移动第二游标测量尺上的第二游标测量尺滑动端，带动第二直线轴承、第二滑动杆、第二约束环一起产生水平方向的左右移动。

优选地，所述第一约束环和第二约束环以间隙配合的方式套于待标定的形状测量杆表面，根据形状测量杆的不同外径尺寸设计第一约束环和第二约束环的尺寸。

优选地，所述第一固定框、第二固定框的中心空间区域的高度、宽度尺寸是相同的，通过选取底板上每条排孔中不同位移的通孔来调整第一固定框和第二固定框之间的间距，用于适应形状测量杆的标定要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)与现有的变形测量杆通过理论反演算法进行变形计算相比，本发明提供了一种可以对变形测量杆施加变形并读取的装置，可以得到实际变形与变形测量杆敏感元件感知的应变之间的准确对应关系。

(2)本发明通过两个互为垂直布置的游标测量尺，可以同时开展竖直和水平两个方向的变形施加，且两个方向的变形施加和读取互不干扰。

(3)可以通过使用若干个本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置，对较长的变形测量杆实施分布式的变形标定测试，解决现有技术无法实施实验标定的难题。

附图说明

图1是本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置中底座的结构示意图。

图3是本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置中第一固定框的结构示意图。

图4是本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置中第二固定框的结构示意图。

图5是本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置中第一游标测量尺和第一直线轴承的安装示意图。

图6是本发明所提供的一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置中第一约束环的结构示意图。

图7是使用两个本发明装置对形状测量杆进行分布式变形施加与读取的标定情况的示意图。

图8是使用多个本发明装置对形状测量杆进行分布式变形施加与读取的标定情况的示意图。

附图标记说明：1、底座；2、第一固定框；3、第二固定框；4、第一游标测量尺；5、第一直线轴承；6、第一滑动杆；7、第一约束环；8、第二游标测量尺；9、第二直线轴承；10、第二滑动杆；11、第二约束环；12、第一支撑杆；13、第二支撑杆；14、形状测量杆；1-1、第一排孔；1-2、第二排孔；1-3、第三排孔；1-4、第四排孔；2-1、第一固定框底部螺孔；2-2、侧面凸台；2-3、侧面凸台螺孔；2-4、支撑螺孔；3-1、第二固定框底部螺孔；3-2、顶部凸台；3-3、顶部凸台螺孔；3-4、支撑通孔；4-1、游标测量尺固定尺；4-2、游标测量尺滑动端；4-3、锁紧螺钉；7-1、约束环通孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置，包括：底座1、第一固定框2、第二固定框3、第一游标测量尺4、第一直线轴承5、第一滑动杆6、第一约束环7、第二游标测量尺8、第二直线轴承9、第二滑动杆10、第二约束环11、第一支撑杆12、第二支撑杆13；

如图2所示，底座1，为方形板状，上面设置有第一排孔1-1、第二排孔1-2、第三排孔1-3、第四排孔1-4，每条排孔由等间距的若干通孔组成，四条排孔互相平行，处于四条排孔中的相同序号的通孔互相对应；

如图3所示，第一固定框2，为中空的方框状结构，底部的框条上设置有四个第一固定框底部螺孔2-1，与底座1上面的四条排孔对应，右侧框条的上方长度超出上方框条，并且右侧框条两端的右侧面上设置有侧面凸台2-2，侧面凸台2-2上设置有侧面凸台螺孔2-3，左侧框条和右侧框条的上部分别设置有支撑螺孔2-4；

如图4所示，第二固定框3，为中空的方框状结构，底部的框条上设置有四个第二固定框底部螺孔3-1，与底座1上面的四条排孔对应，上方框条的右方长度超出右边框条，并且上方框条两端的上表面上设置有顶部凸台3-2，顶部凸台3-2上设置有顶部凸台螺孔3-3，左边框条和右边框条的上部分别设置有支撑通孔3-4；

第一固定框2、第二固定框3均通过螺钉固定于底板1上，在底板1上面装配后，第一固定框2中的两个支撑螺孔2-4与第二固定框3中的两个支撑通孔3-4分别同心对应。

如图5所示，第一游标测量尺4，包括游标测量尺固定尺4-1、游标测量尺滑动端4-2、锁紧螺钉4-3，游标测量尺固定尺4-1的两端设置有两个通孔，与第一固定框2上的两个凸台螺孔2-3对应，是通过螺钉将第一游标测量尺4固定在第一固定框2上；游标测量尺滑动端4-2的一侧手柄上设置有三个圆心位于同一直线上的通孔；游标测量尺滑动端4-2上面还设置有供锁紧螺钉4-3拧入的螺纹通孔，通过拧紧锁紧螺钉4-3，可以将游标测量尺滑动端4-2固定于游标测量尺固定尺4-1上；

第一直线轴承5，为带有固定座的圆筒结构，固定座上面有2个通孔，与游标测量尺滑动端4-2的一侧手柄上设置的三个通孔中两侧的通孔对应，采用螺栓螺帽将第一直线轴承5固定在游标测量尺滑动端4-2上；圆筒结构的圆心与游标测量尺滑动端4-2的一侧手柄上设置的三个通孔中中间的通孔对应；

第一滑动杆6，为一端带有内螺纹孔的光滑圆轴，置入第一直线轴承5内，可自由滑动；

如图6所示，第一约束环7，为带有一个约束环通孔7-1的圆环结构，约束环通孔7-1通过螺钉与第一滑动杆6一端的内螺纹孔固定；

第二游标测量尺8，与第一游标测量尺4的尺寸及结构相同；

第二直线轴承9，与第一直线轴承5的尺寸及结构相同，固定于第二游标测量尺8上；

第二滑动杆10，与第一滑动杆6的尺寸及结构相同，置入第二直线轴承9内，可自由滑动；

第二约束环11，与第一约束环7的尺寸及结构相同，与第二滑动杆10的一端固定；

第一支撑杆12，为一端带有外螺纹的光杆结构，螺纹端与第一固定框2中的左侧框条上的支撑螺孔2-4配合，另外一端与第二固定框3中左边框条的支撑通孔过3-4盈配合；

第二支撑杆13，与第一支撑杆12的尺寸及结构相同，螺纹端与第一固定框2中的右侧框条上的支撑螺孔2-4配合，另外一端与第二固定框3中右边框条的支撑通孔3-4过盈配合；

第一游标测量尺4，通过2个螺栓，将游标测量尺固定尺4-1两端的两个通孔，与第一固定框2上的两个侧面凸台螺孔2-3进行固定，使第一游标测量尺4固定于第一固定框2的右侧。通过移动游标测量尺滑动端4-2，带动第一直线轴承5、第一滑动杆6、第一约束环7一起产生竖直方向的上下移动；

第二游标测量尺8，通过2个螺栓，将第二游标测量尺固定尺两端的两个通孔，与第二固定框3上的两个顶部凸台螺孔3-3进行固定，使第二游标测量尺8固定于第二固定框3的上方。通过移动第二游标测量尺滑动端，带动第二直线轴承9、第二滑动杆10、第二约束环11一起产生水平方向的左右移动；

第一约束环7和第二约束环11以间隙配合的方式，套于待标定的形状测量杆14表面，还可根据形状测量杆14的不同外径尺寸，灵活设计第一约束环7和第二约束环11的尺寸；

第一固定框2、第二固定框3的中心空间区域的高度、宽度尺寸是相同的，第一固定框2、第二固定框3均通过螺钉固定于底板1上，还可以选取底板1上每条排孔中不同位移的通孔，来调整第一固定框2和第二固定框3之间的间距，便于适应形状测量杆14的标定要求。

变形施加与读取方法如下：

1)根据需要被标定的变形测量杆14的长度，选取两个或者多个本发明装置，将变形测量杆14依次穿过所有本发明装置的约束环；

2)以使用两个本发明装置为例，被标定变形测量杆的一端位于其中一个本发明装置的两个约束环内，被标定变形测量杆的另外一端位于另外一个本发明装置的两个约束环内；

3)首选调整设置标定前的初始位置，假设两个本发明装置的第一游标测量尺4和第二游标测量尺8的初始位置分别位于竖直高度方向和水平方向的中心位置，即变形测量杆随两个约束环一起位于第一固定框2及第二固定框3的中心位置，然后可以通过拧紧所有游标测量尺上的锁紧螺钉，将位置固定；

4)若需要进行竖直方向的变形标定，可以保持其中一个本发明装置的两个游标测量尺继续锁紧固定，另外一个本发明装置的第二游标测量尺同样锁紧固定，而松开第一游标测量尺的锁紧螺钉，推动游标测量尺滑动端沿竖直方向滑动，依次带动第一直线轴承、第一滑动杆、第一约束环、被标定变形测量杆同时沿竖直方向移动，达到需要测试的位置后，读取第一游标测量尺上面的移动刻度，即得到了实际、准确的竖直变形施加值，同时由于第二游标测量尺被锁紧固定，水平方向无变形，不受干扰。此时可以将变形测量杆自身的信号输出(如应变片的电压输出、光纤光栅的波长输出等)与竖直变形进行准确对应起来；

5)同样道理，还可以开展无干扰的水平方向的变形标定；

6)同样地，还可以同时移动第一游标测量尺、第二游标测量尺，即可进行两个方向的二维变形施加和读取。

实施例

如图1-图6所示，本发明公开了一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置，包括底座1、第一固定框2、第二固定框3、第一游标测量尺4、第一直线轴承5、第一滑动杆6、第一约束环7、第二游标测量尺8、第二直线轴承9、第二滑动杆10、第二约束环11、第一支撑杆12、第二支撑杆13。

本实施例中，先进行本发明装置的组合装配：首先将第一固定框2、第二固定框3均通过螺钉固定于底板1上，在底板1上面装配后，第一固定框2中的两个支撑螺孔2-4与第二固定框3中的两个支撑通孔3-4分别同心对应；然后将第一支撑杆12、第二支撑杆13分别穿过第二固定框3中的两个支撑通孔3-4后，第一支撑杆12、第二支撑杆13带有外螺纹的一端拧紧到第一固定框2中的两个支撑螺孔2-4内，将第一固定框2、第二固定框3进行加固支撑；然后将第一游标测量尺4通过螺钉固定在第一固定框2的右侧边框上，将第一直线轴承5固定在第一游标测量尺4上，将第一滑动杆6穿过第一直线轴承5后，将第一约束环7固定在第一滑动杆6的靠近第一固定框2的端部；然后将第二游标测量尺8通过螺钉固定在第二固定框3的上方边框上，将第二直线轴承9固定在第二游标测量尺8上，将第二滑动杆10穿过第二直线轴承9后，将第二约束环11固定在第二滑动杆10的靠近第二固定框3的端部。装置的装配完成后，第一游标测量尺4和第二游标测量尺8分别提供竖直、水平方向的变形施加功能，同时可以读取两个测量尺上面的刻度，得到具体变形值。

开展对形状测量杆的标定时，包括以下过程：

1)根据需要被标定的变形测量杆的长度，选取两个或者多个本发明装置，例如图7是使用两个本发明装置对形状测量杆14进行分布式变形施加与读取的标定情况示意图，图8是使用多个本发明装置对形状测量杆14进行分布式变形施加与读取的标定情况示意图；

2)以图7所示的使用两个本发明装置为例，将变形测量杆14依次穿过所有本发明装置的约束环，变形测量杆14的左端位于左侧本发明装置的两个约束环内，标定变形测量杆14的右端位于右侧本发明装置的两个约束环内；

3)首选调整设置标定前的初始位置，假设两个本发明装置的第一游标测量尺4和第二游标测量尺8的初始位置分别位于竖直高度方向和水平方向的中心位置，即变形测量杆14随两个约束环一起位于第一固定框2及第二固定框3的中心位置，然后可以通过拧紧所有游标测量尺上的锁紧螺钉，将位置固定；

4)若需要进行竖直方向的变形标定，可以保持左侧本发明装置的两个游标测量尺继续锁紧固定，右侧本发明装置的第二游标测量尺同样锁紧固定，而松开第一游标测量尺的锁紧螺钉，推动游标测量尺滑动端沿竖直方向滑动，依次带动第一直线轴承、第一滑动杆、第一约束环、被标定变形测量杆同时沿竖直方向移动，达到需要测试的位置后，读取第一游标测量尺上面的移动刻度，即得到了实际、准确的竖直变形施加值，同时由于第二游标测量尺被锁紧固定，水平方向无变形，不受干扰。此时可以将变形测量杆自身的信号输出(如应变片的电压输出、光纤光栅的波长输出等)与竖直变形进行准确对应起来；

5)同样道理，还可以开展无干扰的水平方向的变形标定；

6)同样地，还可以同时移动第一游标测量尺、第二游标测量尺，即可进行两个方向的二维变形施加和读取。

7)类似地，如图8所示，可以利用四个本发明装置，开展更为复杂的变形施加和读取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。