本發(fā)明屬于工業(yè)測量，具體涉及一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、機械加工以及化工生產(chǎn)離不開對反應(yīng)釜或相應(yīng)機械部位的力的測量，以便于后續(xù)控制其中投料、機械操作等工序。為滿足此類需求，現(xiàn)有用于應(yīng)力測量的技術(shù)多是利用金屬形變引起的電阻變化——利用電橋法測量電阻不同所帶來的電壓或電流變化來反映金屬形變，進而由形變與應(yīng)力對照關(guān)系可知其帶來的應(yīng)力大小。此類技術(shù)有三大缺點：一、不可避免地會有電流，有電流便有可能因接觸不良而產(chǎn)生電火花，產(chǎn)生電火花極易導(dǎo)致極其危險生產(chǎn)事故。然而，在一些大型工廠中，尤其是在生產(chǎn)危險化工產(chǎn)品的工廠以及精密儀器的使用以及制造中大部分車間是嚴禁明火的，在此種情況下因為線路老化、操作失誤、接觸不良等是極其危險的安全隱患，而此類原因又不易排查。二、利用電橋法測量電阻不同所帶來的電壓或電流變化來反映金屬形變的方法因溫度不同對電阻阻值的影響較大，在不同溫度下測量會影響測量精度，導(dǎo)致其較大的誤差。

2、在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了第二種技術(shù)——光纖測量距離變化反應(yīng)形變大小進行優(yōu)化測量的應(yīng)力傳感器。此技術(shù)基于應(yīng)力的施加會導(dǎo)致標準金屬外殼發(fā)生形變，金屬外殼發(fā)生的形變將體現(xiàn)在光纖測量距離的變化上。此類技術(shù)的缺點在于：一、若被測量單元或安裝底座發(fā)生晃動或由于金屬疲勞等物理因素所引起的測量光纖位移將帶來相對于金屬形變極大的誤差，此時測量的數(shù)據(jù)將嚴重不符。二、若光纖對射區(qū)域即光路經(jīng)過區(qū)域有高溫情況，由于傳統(tǒng)測量儀器多為開放性介質(zhì)，其介質(zhì)在高溫作用下將極易產(chǎn)生介質(zhì)密度不均的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致光在介質(zhì)中的傳播速度發(fā)生不穩(wěn)定、不可控的改變，進而影響光在相同路徑中的傳導(dǎo)時間，甚至由于其介質(zhì)密度不均或引入其他雜物導(dǎo)致光線的散射和反射，從而直接影響測量數(shù)據(jù)甚至直接導(dǎo)致光路散射以至于光強不達標沒有測量數(shù)據(jù)。三、由于其光路傳播過程中的系統(tǒng)并非封閉系統(tǒng)，在一些特殊環(huán)境中，可能引入其他雜物或是改變預(yù)期介質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致光傳播速度發(fā)生變化，甚至光線傳播路徑因反射而發(fā)生改變，因此在測量類裝置中，環(huán)境對測量結(jié)果的影響因素不容忽視。四、以往的應(yīng)力傳感器由于其標準金屬件機構(gòu)設(shè)計缺陷大多只用于測量一維矢量力甚至僅可測量力的大小而不可測量其方向，其大多只可測量壓力大小，在受到拉力和壓力反復(fù)作用時將極大加快其標準金屬件的老化和報廢，進而極大縮減其應(yīng)力測量裝置的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對上述問題提供了一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置及方法。

2、為達到上述目的本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

3、一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置，包括底部圓盤、頂部圓盤和測量組件，所述測量組件有三個，呈圓周均勻排列鉸接在底部圓盤和頂部圓盤之間，相鄰測量組件之間的夾角為90°，所述測量組件包括封閉式氣壓活塞，所述封閉式氣壓活塞的上端和下端分別與頂部圓盤和底部圓盤鉸接，在所述封閉式氣壓活塞內(nèi)部填充有氣體介質(zhì)，在所述封閉式氣壓活塞靠近下端面的兩側(cè)均開設(shè)有透光窗口，在其中一個所述透光窗口處設(shè)置有激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器通過光纖與激光發(fā)生器連接，在另一個所述透光窗口處設(shè)置有測量單元，所述測量單元用于測量激光的折射率，進而反映受力的大小。

4、進一步，所述測量單元包括固定在另一個所述透光窗口的光敏傳感器，所述光敏傳感器通過光纖與信號轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，所述信號轉(zhuǎn)換器的輸出端與計算機連接。

5、再進一步，在所述封閉式氣壓活塞內(nèi)腔的下部設(shè)置有限位臺，所述限位臺位于透光窗口的上方。

6、更進一步，所述激光發(fā)射器安裝在角度調(diào)節(jié)機構(gòu)上，所述角度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括固定在封閉式氣壓活塞一側(cè)的弧形滑軌，在所述弧形滑軌上滑動設(shè)置有滑塊，在所述滑塊的一側(cè)螺紋連接有鎖緊螺栓，所述激光發(fā)射器安裝在滑塊上，且所述激光發(fā)射器始終朝向相鄰?fù)腹獯翱诘耐粋€位置。

7、更進一步，在所述頂部圓盤的上表面中部設(shè)置有球鉸接頭，所述球鉸接頭的鉸接中心為三個測量組件的相交點。

8、一種基于光線折光率的三維矢量測力方法，包括以下步驟：將所述三維矢量測力裝置安裝于受力點處，且保證受力點位于頂部圓盤的圓心處，在未施加壓力之前，通過激光發(fā)生器發(fā)出激光，激光經(jīng)過光纖傳導(dǎo)后從激光發(fā)射器射入封閉式氣壓活塞內(nèi)部，位于另一側(cè)的光敏傳感器接收穿過氣體介質(zhì)的光纖，并輸出檢測信號至信號轉(zhuǎn)換器，檢測信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，并輸入至計算機中進行換算得到每個封閉式氣壓活塞所受到的初始壓力；隨后對三維矢量測力裝置施加壓力，壓力向下傳遞至封閉式氣壓活塞，封閉式氣壓活塞在受力后被壓縮，封閉式氣壓活塞內(nèi)腔的氣體介質(zhì)被壓縮后濃度改變，進而使得對光線的折射率也發(fā)生改變，再次通過激光發(fā)生器發(fā)出激光進行檢測，得到每個封閉式氣壓活塞所力后的實際壓力，計算實際壓力與初始壓力之間的差值，即可得到施加在每個封閉式氣壓活塞上的壓力，以三個封閉式氣壓活塞軸線延長線的交點為原點，三個封閉式氣壓活塞的軸線分別為x、y、z軸建立空間直角坐標系，以其從頂點沿棱向下為正方向，分別將其分量負載賦值于x、y、z坐標即可得到空間三維矢量力。

9、與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

10、本發(fā)明配置了光纖進行信息的傳導(dǎo)，避免了電橋法測量對通電的依賴。光纖可以將光敏傳感器接收光出射點的變化傳輸至計算機，經(jīng)由計算機換算得出相對應(yīng)的應(yīng)力值。在測量區(qū)完全避免了電的使用，比起傳統(tǒng)的電橋法從根本上杜絕了產(chǎn)生電火花的風(fēng)險，從而保證安全生產(chǎn)；

11、相比傳統(tǒng)電橋法因溫度不同對電阻值的誤差影響較大，在不同溫度時會引起相對較大的誤差；同時光纖測量距離的應(yīng)力傳感器的開放性介質(zhì)在高溫作用下將極易產(chǎn)生產(chǎn)生介質(zhì)密度不均的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致光在介質(zhì)中的傳播速度發(fā)生不穩(wěn)定、不可控的改變，使得測量結(jié)果完全不可用。本發(fā)明采用了標準測量氣體反應(yīng)其金屬形變值，改善了因溫度不同對電阻阻值的影響較大的弊端。同時本發(fā)明設(shè)置了光敏傳感器測量光纖出射點變化，光敏傳感器對光線變化的靈敏度以及光纖的高精度傳導(dǎo)將保證其精確度；

12、本發(fā)明更換光路傳播介質(zhì)為封閉式氣體介質(zhì)，在溫度變化時封閉式氣壓活塞內(nèi)的氣體介質(zhì)相較開放式介質(zhì)氣體有著更為均勻以及穩(wěn)定的物理特性，改進了傳統(tǒng)測量儀器的介質(zhì)在高溫作用下產(chǎn)生光路中介質(zhì)密度不均，數(shù)據(jù)作廢的現(xiàn)象，極大提高了測量的準確性和效率；

13、本發(fā)明可通過簡單的機械調(diào)整應(yīng)用于不同場景，諸如適應(yīng)不同的量程和精度需要、也可同時滿足電子計算機顯示和檢測員觀測兩種檢測方式。

14、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡約化，既可單個裝置單獨使用，也可多個裝置組合使用。利用特殊的三角形結(jié)構(gòu)進行組合，相較于以往的應(yīng)力傳感器大多只能測量力大小的缺點，滿足了對三維測量力的大小以及測量其方向的需求，并結(jié)合計算機滿足對測量精度的需求。

技術(shù)特征：

1.一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置，其特征在于，包括底部圓盤(1)、頂部圓盤(2)和測量組件(3)，所述測量組件(3)有三個，呈圓周均勻排列鉸接在底部圓盤(1)和頂部圓盤(2)之間，相鄰測量組件(3)之間的夾角為90°，所述測量組件(3)包括封閉式氣壓活塞(301)，所述封閉式氣壓活塞(301)的上端和下端分別與頂部圓盤(2)和底部圓盤(1)鉸接，在所述封閉式氣壓活塞(301)內(nèi)部填充有氣體介質(zhì)，在所述封閉式氣壓活塞(301)靠近下端面的兩側(cè)均開設(shè)有透光窗口(302)，在其中一個所述透光窗口(302)處設(shè)置有激光發(fā)射器(303)，所述激光發(fā)射器(303)通過光纖與激光發(fā)生器(311)連接，在另一個所述透光窗口(302)處設(shè)置有測量單元，所述測量單元用于測量激光的折射率，進而反映受力的大小。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置，其特征在于，所述測量單元包括固定在另一個所述透光窗口(302)的光敏傳感器(308)，所述光敏傳感器(308)通過光纖與信號轉(zhuǎn)換器(309)的輸入端連接，所述信號轉(zhuǎn)換器(309)的輸出端與計算機(310)連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置，其特征在于，在所述封閉式氣壓活塞(301)內(nèi)腔的下部設(shè)置有限位臺(304)，所述限位臺(304)位于透光窗口(302)的上方。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射器(303)安裝在角度調(diào)節(jié)機構(gòu)上，所述角度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括固定在封閉式氣壓活塞(301)一側(cè)的弧形滑軌(305)，在所述弧形滑軌(305)上滑動設(shè)置有滑塊(306)，在所述滑塊(306)的一側(cè)螺紋連接有鎖緊螺栓(307)，所述激光發(fā)射器(303)安裝在滑塊(306)上，且所述激光發(fā)射器(303)始終朝向相鄰?fù)腹獯翱?302)的同一個位置。

5.一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置，其特征在于，在所述頂部圓盤(2)的上表面中部設(shè)置有球鉸接頭(4)，所述球鉸接頭(4)的鉸接中心為三個測量組件(3)的相交點。

6.一種基于權(quán)利要求2所述三維矢量測力裝置的一種基于光線折光率的三維矢量測力方法，其特征在于，包括以下步驟：將所述三維矢量測力裝置安裝于受力點處，且保證受力點位于頂部圓盤(2)的圓心處，在未施加壓力之前，通過激光發(fā)生器(4)發(fā)出激光，激光經(jīng)過光纖傳導(dǎo)后從激光發(fā)射器(303)射入封閉式氣壓活塞(301)內(nèi)部，位于另一側(cè)的光敏傳感器(308)接收穿過氣體介質(zhì)的光纖，并輸出檢測信號至信號轉(zhuǎn)換器(309)，檢測信號經(jīng)信號轉(zhuǎn)換器(309)轉(zhuǎn)換為電信號，并輸入至計算機(310)中進行換算得到每個封閉式氣壓活塞(301)所受到的初始壓力；隨后對三維矢量測力裝置施加壓力，壓力向下傳遞至封閉式氣壓活塞(301)，封閉式氣壓活塞(301)在受力后被壓縮，封閉式氣壓活塞(301)內(nèi)腔的氣體介質(zhì)被壓縮后濃度改變，進而使得對光線的折射率也發(fā)生改變，再次通過激光發(fā)生器(4)發(fā)出激光進行檢測，得到每個封閉式氣壓活塞(301)所力后的實際壓力，計算實際壓力與初始壓力之間的差值，即可得到施加在每個封閉式氣壓活塞(301)上的壓力，以三個封閉式氣壓活塞(301)軸線延長線的交點為原點，三個封閉式氣壓活塞(301)的軸線分別為x、y、z軸建立空間直角坐標系，以其從頂點沿棱向下為正方向，分別將其分量負載賦值于x、y、z坐標即可得到空間三維矢量力。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于工業(yè)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光線折光率的三維矢量測力裝置及方法，裝置包括底部圓盤、頂部圓盤和測量組件，呈圓周均勻排列鉸接在底部圓盤和頂部圓盤之間，相鄰測量組件之間的夾角為90°，所述測量組件包括封閉式氣壓活塞，所述封閉式氣壓活塞的上端和下端分別與頂部圓盤和底部圓盤鉸接，在所述封閉式氣壓活塞內(nèi)部填充有氣體介質(zhì)，在所述封閉式氣壓活塞靠近下端面的兩側(cè)均開設(shè)有透光窗口，在其中一個所述透光窗口處設(shè)置有激光發(fā)射器，所述激光發(fā)射器通過光纖與激光發(fā)生器連接，在另一個所述透光窗口處設(shè)置有測量單元。本發(fā)明在測量區(qū)完全避免了電的使用，比起傳統(tǒng)的電橋法從根本上杜絕了產(chǎn)生電火花的風(fēng)險，從而保證安全生產(chǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：牛正陽,翟欣怡,崔康
受保護的技術(shù)使用者：山西大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30