[发明专利]一种圆柱梁所受矢量力测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种矢量力测量方法及装置，特别是关于一种基于电阻应变片的圆柱梁所受矢量力测量方法及装置。

背景技术

对于风帆助航船舶，为了使风帆作用力能够在船舶航行方向受力大、船舶横向方向受力小，则需要测量相对船舶航向的风向和风速，并结合风帆的空气动力特性，计算得出风帆最佳转角和船舶所受助推力、横向力的大小。船舶驾驶人员根据风帆产生的助推力和横向力的大小，调整船舶主机转速和舵角，保证风帆助航船舶行驶在最佳工况。风帆作用力测量的传统方法是通过测量相对船舶的风速风向，再结合风帆的空气动力特性得到。风速风向的测量一般采用的是风速风向传感器，但由于船舶运动过程中存在纵摇、横摇和横倾的影响，风速风向检测值会存在一定的误差，从而导致计算得到的船舶助推力和横向力与实际值存在误差，该误差会影响船舶驾驶人员对船舶的操控，进而不能保证船舶行驶在最佳工况，误差大时甚至产生不良后果。因此，在测量中，如何能够得到精确的风帆作用力，对于风帆助航船舶操控来说，是非常重要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以直接获得圆柱梁受力大小和受力方向的基于电阻应变片的圆柱梁所受矢量力测量方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种圆柱梁所受矢量力测量方法，它包括以下步骤：1)在圆柱梁受力作用点与支撑点之间的圆柱梁外围周向同一高度均匀设置四个相同的电阻应变片；2)设相对的两个电阻应变片为一组，每组电阻应变片分别与两个相等电阻构成差动桥臂电路，且差动桥臂电路的给定电压相同；3)根据矢量力作用在圆柱梁而导致圆柱梁的弯曲应变，带动四个电阻应变片拉伸和压缩，四个电阻应变片阻值发生变化；电阻应变片阻值的变化带动差动桥臂电路产生差动电压，并结合电阻应变片阻值变化与线应变之间的公式，差动电压与电阻应变片阻值变化之间的公式、电阻应变片所在位置线应变公式，得到相应的矢量力作用角；4)通过电阻应变片所在截面弯矩公式、线应变公式，得到圆柱梁所受矢量力大小。

相对的两个电阻应变片各自对应的阻值变化大小相等、符号相反。

所述步骤3)中：电阻应变片阻值变化与线应变之间的公式：其中，ΔR为电阻应变片阻值变化值、R为电阻应变片初始阻值、K为电阻应变片的灵敏系数、ε为电阻应变片所在圆柱梁位置的线应变；差动电压与电阻应变片阻值变化之间的公式：其中，ΔU为差动电压，U₀为差动桥臂电路的给定电压；电阻应变片所在位置线应变公式：其中，M为电阻应变片所在截面弯矩、E为圆柱梁弹性模量、D为圆柱梁横截面直径、y为电阻应变片距圆柱中性层的距离、θ为电阻应变片与中性层之间的夹角；电阻应变片所在截面弯矩公式：M＝FL，其中，F为待测量作用力大小、L为作用力点到电阻应变片所在截面的距离。

一种实现圆柱梁所受矢量力测量方法的装置，其特征在于：它包括若干检测单元和一显示单元；所述检测单元分别电连接所述显示单元；所述检测单元用于检测作用于圆柱梁上的矢量力的大小和方向，并将其传送给所述显示单元，通过所述显示单元显示圆柱梁所受的矢量力的大小和方向。

所述检测单元包括检测电路和微处理器；所述检测电路电连接所述微处理器；所述检测电路采用差动桥臂电路，该差动桥臂电路是在待测圆柱梁受力作用点与支撑点之间的圆柱梁外围周向同一高度均匀设置四个相同的电阻应变片，且相对的两个电阻应变片为一组，每组电阻应变片分别与两个相等电阻构成的该差动桥臂电路；所述检测电路将检测的差动信号传送给所述微处理器，所述微处理器经过处理得到圆柱梁上所受矢量力的大小和方向。

所述微处理器采用MCS-51单片机。