專利名稱：一種電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，適用于材料力學(xué)試驗(yàn)中的非圓截面試樣的靜態(tài)厚度測(cè)量和動(dòng)態(tài)厚度測(cè)量，以及機(jī)械加工等其它領(lǐng)域中物體的厚度測(cè)量，屬力學(xué)試驗(yàn)及幾何量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在科學(xué)研究和工程技術(shù)中，厚度是物體最基本的特征量之一。厚度可以分為靜態(tài) (穩(wěn)態(tài))厚度和動(dòng)態(tài)厚度，即不隨時(shí)間變化的厚度和隨時(shí)間變化的厚度。厚度測(cè)量通常是指靜態(tài)厚度測(cè)量，例如在材料力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)于矩形橫截面試樣以及圓管縱向弧形試樣的常規(guī)拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，按照有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，需要在試樣加載之前和破壞后分別測(cè)量試樣的厚度，這類厚度測(cè)量屬于靜態(tài)厚度測(cè)量。對(duì)于一些材料力學(xué)性質(zhì)的研究性實(shí)驗(yàn)，則不僅需要測(cè)量靜態(tài)厚度，而且需要測(cè)量動(dòng)態(tài)厚度，即要求能夠在試樣加載變形的過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量(連續(xù)跟蹤)試樣的厚度。因此需要有合適的動(dòng)態(tài)厚度測(cè)量技術(shù)，相應(yīng)的測(cè)量?jī)x器可以稱為厚度引伸儀。然而直到目前為止，在力學(xué)測(cè)試技術(shù)中尚缺乏動(dòng)態(tài)厚度測(cè)量方法，也未見到關(guān)于厚度引伸儀的報(bào)道?，F(xiàn)有材料力學(xué)性能試驗(yàn)技術(shù)所使用的橫向引伸儀可以測(cè)量試樣在加載過(guò)程中的橫向變形，即橫向尺寸的改變量，但不能實(shí)時(shí)測(cè)量試樣的厚度。而現(xiàn)有的各種厚度測(cè)量技術(shù)，包括接觸式和非接觸式測(cè)量技術(shù)，一般只合適于測(cè)量靜態(tài)厚度。從測(cè)量技術(shù)的分辨能力方面來(lái)看，普通材料力學(xué)性能試驗(yàn)一般要求厚度測(cè)量的分辨率在1微米以上；變形測(cè)量一般要求變形測(cè)量?jī)x具有1微米的分辨率，這也是現(xiàn)有橫向引伸儀能夠達(dá)到的水平。對(duì)于要求測(cè)量精度在1微米至0.1微米乃至0. 1微米以下的測(cè)試分析，如厚度小于0. 5毫米的材料試驗(yàn)，一些新型材料研究、開發(fā)過(guò)程中的材料力學(xué)性能測(cè)試，厚度測(cè)量?jī)x以及變形測(cè)量?jī)x的分辨率必須達(dá)到0. 5微米至0. 1微米，乃至0. 1微米以下。同樣，在精密機(jī)械、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，也十分需要有分辨率小于0. 1微米的厚度測(cè)量技術(shù)。目前已經(jīng)有一些分辨率在0. 2微米以下的厚度測(cè)量技術(shù)，多數(shù)為光學(xué)測(cè)量技術(shù)。光學(xué)測(cè)量技術(shù)具有非接觸的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量系統(tǒng)一般都比較復(fù)雜，而且容易受到振動(dòng)等環(huán)境應(yīng)因素的干擾，因此在應(yīng)用上有很大的局限性。相比之下，機(jī)械接觸式厚度測(cè)量方法的抗干擾性能一般要優(yōu)于光學(xué)非接觸式厚度測(cè)量方法。從厚度測(cè)量技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，不但需要提高測(cè)量分辨率和穩(wěn)定性，而且需要實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)的簡(jiǎn)易化、小型化、自動(dòng)化、數(shù)字化、 智能化，因此就需要有能夠滿足這樣一些綜合性要求的測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為材料力學(xué)性能試驗(yàn)以及精密機(jī)械加工等領(lǐng)域提供一種兼具靜態(tài)和動(dòng)態(tài)厚度測(cè)量功能、分辨率小于0. 1微米、構(gòu)造簡(jiǎn)單且適合于數(shù)字化應(yīng)用的電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。本發(fā)明的電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置，包括雙懸臂梁電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量傳感器和電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x，雙懸臂梁電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量傳感器由U形彈性體、兩個(gè)帶定位軸銷或螺紋桿的圓錐頂測(cè)量觸頭和四枚單軸電阻應(yīng)變計(jì)I^、I 2、I 3、R4構(gòu)成；U形彈性體的形狀對(duì)稱， 其幾何結(jié)構(gòu)包括基座和與基座兩端固聯(lián)的兩支懸臂梁C1和C2 ；懸臂梁C1和C2的幾何結(jié)構(gòu)均分為頭部ac和頸部ce兩段；頭部ac段的長(zhǎng)度大于頸部ce段的長(zhǎng)度，頭部ac段的橫截面面積也大于頸部ce段的橫截面面積；懸臂梁C1和C2在靠近自由端a處各加工有一個(gè)圓柱孔或螺紋孔，兩個(gè)懸臂梁C1和C2上的圓柱孔或螺紋孔處于同軸位置；兩個(gè)圓錐頂測(cè)量觸頭按兩個(gè)圓錐頂互對(duì)的方向利用定位軸銷或螺紋桿分別與懸臂梁C1和C2上的圓柱孔或螺紋孔配合，固定在U形彈性體上；兩個(gè)圓錐頂測(cè)量觸頭的間隔區(qū)域用于放置厚度標(biāo)準(zhǔn)器或被測(cè)試樣，兩個(gè)圓錐頂?shù)拈g距小于厚度標(biāo)準(zhǔn)器或被測(cè)試樣的最小厚度；電阻應(yīng)變計(jì)R1和& 對(duì)稱粘貼在懸臂梁C1的頸部ce的兩側(cè)，電阻應(yīng)變計(jì)民和R4對(duì)稱粘貼在懸臂梁C2的頸部 ce的兩側(cè)，電阻應(yīng)變計(jì)禮、R2, R3和R4的軸線平行于懸臂梁C1和C2的軸線；電阻應(yīng)變計(jì)R1 和&用于感受懸臂梁C1的彎曲線應(yīng)變，電阻應(yīng)變計(jì)R3和R4用于感受懸臂梁C2的彎曲線應(yīng)變，四枚電阻應(yīng)變計(jì)禮、&、R3、R4以全橋形式接入電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x。本發(fā)明的電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括標(biāo)定和測(cè)量，操作步驟如下(1)用厚度標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)定厚度測(cè)量系統(tǒng)將厚度標(biāo)準(zhǔn)器的各標(biāo)準(zhǔn)厚度規(guī)塊依次放入雙懸臂梁電阻應(yīng)變式傳感器的兩圓錐頂測(cè)量觸頭之間，并使標(biāo)準(zhǔn)厚度規(guī)塊的兩工作面與圓錐頂測(cè)量觸頭的軸線垂直；記下電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x的各次讀數(shù)ε ρ然后利用最小二乘法求出電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x讀數(shù)ε ^與厚度值δ的函數(shù)關(guān)系式，即擬合方程ε r = A δ +B(a)式(a)中的常數(shù)A和B，分別按公式(a_l)和(a_2)計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置，其特征是包括雙懸臂梁電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量傳感器 (1)和電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)xO)，雙懸臂梁電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量傳感器(1)由U形彈性體、兩個(gè)帶定位軸銷或螺紋桿的圓錐頂測(cè)量觸頭(5)和四枚單軸電阻應(yīng)變計(jì)禮、R2> R3、R4構(gòu)成；U 形彈性體(4)的形狀對(duì)稱，其幾何結(jié)構(gòu)包括基座(ef)和與基座(ef)兩端固聯(lián)的兩支懸臂梁C1和C2 ；懸臂梁C1和C2的幾何結(jié)構(gòu)均分為頭部ac和頸部ce兩段；頭部ac段的長(zhǎng)度大于頸部ce段的長(zhǎng)度，頭部ac段的橫截面面積也大于頸部ce段的橫截面面積；懸臂梁C1和 C2在靠近自由端a處各加工有一個(gè)圓柱孔或螺紋孔，兩個(gè)懸臂梁C1和C2上的圓柱孔或螺紋孔處于同軸位置；兩個(gè)圓錐頂測(cè)量觸頭( 按兩個(gè)圓錐頂互對(duì)的方向利用定位軸銷或螺紋桿分別與懸臂梁C1和C2上的圓柱孔或螺紋孔配合，固定在U形彈性體(4)上；兩個(gè)圓錐頂測(cè)量觸頭( 的間隔區(qū)域用于放置厚度標(biāo)準(zhǔn)器C3)或被測(cè)試樣(6)，兩個(gè)圓錐頂?shù)拈g距小于厚度標(biāo)準(zhǔn)器( 或被測(cè)試樣(6)的最小厚度；電阻應(yīng)變計(jì)R1和&對(duì)稱粘貼在懸臂梁C1的頸部ce的兩側(cè)，電阻應(yīng)變計(jì)民和R4對(duì)稱粘貼在懸臂梁C2的頸部ce的兩側(cè)，電阻應(yīng)變計(jì)隊(duì)、 R2^R3和R4的軸線平行于懸臂梁C1和C2的軸線；電阻應(yīng)變計(jì)R1和&用于感受懸臂梁C1的彎曲線應(yīng)變，電阻應(yīng)變計(jì)R3和R4用于感受懸臂梁C2的彎曲線應(yīng)變，四枚電阻應(yīng)變計(jì)禮、&、 R3、R4以全橋形式接入電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x(2)。
2.權(quán)利要求1所述電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括標(biāo)定和測(cè)量，操作步驟如下(1)用厚度標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)定厚度測(cè)量系統(tǒng)將厚度標(biāo)準(zhǔn)器的各標(biāo)準(zhǔn)厚度規(guī)塊依次放入雙懸臂梁電阻應(yīng)變式傳感器(1)的兩圓錐頂測(cè)量觸頭(5)之間，并使標(biāo)準(zhǔn)厚度規(guī)塊的兩工作面與圓錐頂測(cè)量觸頭(5)的軸線垂直；記下電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)xO)的各次讀數(shù)％，然后利用最小二乘法求出電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x(2)讀數(shù)、與厚度值δ的函數(shù)關(guān)系式，即擬合方程
全文摘要
本發(fā)明公開的電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量裝置，包括由U形彈性體、兩個(gè)帶定位軸銷或螺紋桿的圓錐頂測(cè)量觸頭和四枚單軸電阻應(yīng)變計(jì)R1、R2、R3、R4構(gòu)成的雙懸臂梁電阻應(yīng)變式厚度測(cè)量傳感器和電阻應(yīng)變測(cè)量?jī)x。利用厚度標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)厚度測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的厚度測(cè)量裝置測(cè)量試樣的靜態(tài)厚度和動(dòng)態(tài)厚度。該厚度測(cè)量裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單，分辨率小于0.1微米，可在材料力學(xué)性能試驗(yàn)以及機(jī)械加工等領(lǐng)域中測(cè)量幾何形體的厚度；在材料力學(xué)性能試驗(yàn)領(lǐng)域，能夠以厚度引伸方式實(shí)時(shí)測(cè)量試樣加荷變形過(guò)程中的厚度。
文檔編號(hào)G01B7/06GK102506688SQ20111032545
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月24日
發(fā)明者胡惠君, 雷華, 魯陽(yáng) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)