一種圓柱梁所受矢量力測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種圓柱梁所受矢量力測量方法及裝置，圓柱梁一端固定在固定支座上，已知矢量力作用點所在圓柱梁截面，其特征在于：在矢量力作用點與固定支座之間的圓柱梁表面上，設(shè)置四個電阻應(yīng)變片，四個電阻應(yīng)變片位于圓柱梁的同一圓周上，且相互間隔90°，四個電阻應(yīng)變片接入到檢測裝置的彎曲應(yīng)變檢測電路中，當矢量力作用時，四個電阻應(yīng)變片分別會有拉伸和壓縮的組合作用，本發(fā)明通過檢測電路得到電阻應(yīng)變片所在位置的彎曲線應(yīng)變，進而通過計算獲得圓柱梁所受矢量力大小與方向。本發(fā)明用一點彎曲應(yīng)變表征圓柱梁所受矢量力特征，測量結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝、操作方便，它可以廣泛應(yīng)用于各種圓柱梁受矢量力的測量。
【專利說明】一種圓柱梁所受矢量力測量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種矢量力測量方法及裝置，特別是關(guān)于一種基于電阻應(yīng)變片的圓柱 梁所受矢量力測量方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 對于風(fēng)帆助航船舶，為了使風(fēng)帆作用力能夠在船舶航行方向受力大、船舶橫向方 向受力小，則需要測量相對船舶航向的風(fēng)向和風(fēng)速，并結(jié)合風(fēng)帆的空氣動力特性，計算得出 風(fēng)帆最佳轉(zhuǎn)角和船舶所受助推力、橫向力的大小。船舶駕駛?cè)藛T根據(jù)風(fēng)帆產(chǎn)生的助推力和 橫向力的大小，調(diào)整船舶主機轉(zhuǎn)速和舵角，保證風(fēng)帆助航船舶行駛在最佳工況。風(fēng)帆作用力 測量的傳統(tǒng)方法是通過測量相對船舶的風(fēng)速風(fēng)向，再結(jié)合風(fēng)帆的空氣動力特性得到。風(fēng)速 風(fēng)向的測量一般采用的是風(fēng)速風(fēng)向傳感器，但由于船舶運動過程中存在縱搖、橫搖和橫傾 的影響，風(fēng)速風(fēng)向檢測值會存在一定的誤差，從而導(dǎo)致計算得到的船舶助推力和橫向力與 實際值存在誤差，該誤差會影響船舶駕駛?cè)藛T對船舶的操控，進而不能保證船舶行駛在最 佳工況，誤差大時甚至產(chǎn)生不良后果。因此，在測量中，如何能夠得到精確的風(fēng)帆作用力，對 于風(fēng)帆助航船舶操控來說，是非常重要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以直接獲得圓柱梁受力大小和受力方 向的基于電阻應(yīng)變片的圓柱梁所受矢量力測量方法及裝置。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種圓柱梁所受矢量力測量方法，它 包括以下步驟：1)在圓柱梁受力作用點與支撐點之間的圓柱梁外圍周向同一高度均勻設(shè) 置四個相同的電阻應(yīng)變片；2)設(shè)相對的兩個電阻應(yīng)變片為一組，每組電阻應(yīng)變片分別與兩 個相等電阻構(gòu)成差動橋臂電路，且差動橋臂電路的給定電壓相同；3)根據(jù)矢量力作用在圓 柱梁而導(dǎo)致圓柱梁的彎曲應(yīng)變，帶動四個電阻應(yīng)變片拉伸和壓縮，四個電阻應(yīng)變片阻值發(fā) 生變化；電阻應(yīng)變片阻值的變化帶動差動橋臂電路產(chǎn)生差動電壓，并結(jié)合電阻應(yīng)變片阻值 變化與線應(yīng)變之間的公式，差動電壓與電阻應(yīng)變片阻值變化之間的公式、電阻應(yīng)變片所在 位置線應(yīng)變公式，得到相應(yīng)的矢量力作用角；4)通過電阻應(yīng)變片所在截面彎矩公式、線應(yīng) 變公式，得到圓柱梁所受矢量力大小。
[0005] 相對的兩個電阻應(yīng)變片各自對應(yīng)的阻值變化大小相等、符號相反。
[0006] 所述步驟3)中：電阻應(yīng)變片阻值變化與線應(yīng)變之間的公式

【權(quán)利要求】
1. 一種圓柱梁所受矢量力測量方法，它包括以下步驟： 1) 在圓柱梁受力作用點與支撐點之間的圓柱梁外圍周向同一高度均勻設(shè)置四個相同 的電阻應(yīng)變片； 2) 設(shè)相對的兩個電阻應(yīng)變片為一組，每組電阻應(yīng)變片分別與兩個相等電阻構(gòu)成差動橋 臂電路，且差動橋臂電路的給定電壓相同； 3) 根據(jù)矢量力作用在圓柱梁而導(dǎo)致圓柱梁的彎曲應(yīng)變，帶動四個電阻應(yīng)變片拉伸和壓 縮，四個電阻應(yīng)變片阻值發(fā)生變化；電阻應(yīng)變片阻值的變化帶動差動橋臂電路產(chǎn)生差動電 壓，并結(jié)合電阻應(yīng)變片阻值變化與線應(yīng)變之間的公式，差動電壓與電阻應(yīng)變片阻值變化之 間的公式、電阻應(yīng)變片所在位置線應(yīng)變公式，得到相應(yīng)的矢量力作用角； 4) 通過電阻應(yīng)變片所在截面彎矩公式、線應(yīng)變公式，得到圓柱梁所受矢量力大小。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種圓柱梁所受矢量力測量方法，其特征在于：相對的兩個電 阻應(yīng)變片各自對應(yīng)的阻值變化大小相等、符號相反。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種圓柱梁所受矢量力測量方法，其特征在于：所述步驟3) 中： AR 電阻應(yīng)變片阻值變化與線應(yīng)變之間的公式：^，其中，ΛR為電阻應(yīng)變片阻值 R 變化值、R為電阻應(yīng)變片初始阻值、K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)、ε為電阻應(yīng)變片所在圓柱 梁位置的線應(yīng)變； 差動電壓與電阻應(yīng)變片阻值變化之間的公式.Λ?/ =￥·#，其中，ΛU為差動電壓， 2R Utl為差動橋臂電路的給定電壓； CAMD·,、 電阻應(yīng)變片所在位置線應(yīng)變公式：g=patV，J=jSin<9,其中，μ為電阻應(yīng)變 Επυ2 片所在截面彎矩、E為圓柱梁彈性模量、D為圓柱梁橫截面直徑、y為電阻應(yīng)變片距圓柱中性 層的距離、Θ為電阻應(yīng)變片與中性層之間的夾角； 電阻應(yīng)變片所在截面彎矩公式：M=FL，其中，F(xiàn)為待測量作用力大小、L為作用力點到 電阻應(yīng)變片所在截面的距離。
4. 如權(quán)利要求2所述的一種圓柱梁所受矢量力測量方法，其特征在于：所述步驟3) 中： AR 電阻應(yīng)變片阻值變化與線應(yīng)變之間的公式：--=尤其中，AR為電阻應(yīng)變片阻值 R 變化值、R為電阻應(yīng)變片初始阻值、K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)、ε為電阻應(yīng)變片所在圓柱 梁位置的線應(yīng)變； 差動電壓與電阻應(yīng)變片阻值變化之間的公式：Δ?/ =4·-^-，其中，AU為差動電 2R 壓，Utl為差動橋臂電路的給定電壓； 64MD 電阻應(yīng)變片所在位置線應(yīng)變公式：S=-τy^V= -sin<9,其中，M為電阻應(yīng)變 ΕπΟ 2 片所在截面彎矩、E為圓柱梁彈性模量、D為圓柱梁橫截面直徑、y為電阻應(yīng)變片距圓柱中性 層的距離、Θ為電阻應(yīng)變片與中性層之間的夾角； 電阻應(yīng)變片所在截面彎矩公式：M=FL，其中，F(xiàn)為待測量作用力大小、L為作用力點到 電阻應(yīng)變片所在截面的距離。
5. -種實現(xiàn)如權(quán)利要求1?4任意一項所述的圓柱梁所受矢量力測量方法的裝置，其 特征在于：它包括若干檢測單元和一顯示單元；所述檢測單元分別電連接所述顯示單元； 所述檢測單元用于檢測作用于圓柱梁上的矢量力的大小和方向，并將其傳送給所述顯示單 元，通過所述顯示單元顯示圓柱梁所受的矢量力的大小和方向。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種圓柱梁所受矢量力測量裝置，其特征在于：所述檢測單元 包括檢測電路和微處理器；所述檢測電路電連接所述微處理器；所述檢測電路采用差動橋 臂電路，該差動橋臂電路是在待測圓柱梁受力作用點與支撐點之間的圓柱梁外圍周向同一 高度均勻設(shè)置四個相同的電阻應(yīng)變片，且相對的兩個電阻應(yīng)變片為一組，每組電阻應(yīng)變片 分別與兩個相等電阻構(gòu)成的該差動橋臂電路；所述檢測電路將檢測的差動信號傳送給所述 微處理器，所述微處理器經(jīng)過處理得到圓柱梁上所受矢量力的大小和方向。
7. 如權(quán)利要求6所述的一種圓柱梁所受矢量力測量裝置，其特征在于：所述微處理器 采用MCS-51單片機。
【文檔編號】G01L1/22GK104316230SQ201410657926
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】王迪, 羅虎, 王國峰, 趙永生, 范云生 申請人:大連海事大學(xué)