阅读说明：本技术 用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置 (Method and device for measuring diameter by using cantilever beam sensor and coding screw rod ) 是由 胡晓东 鲁阳 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置。该方法及装置包括测量主机、辅助定位机构、标准器、定位块、被测试件和数据采集-分析-处理单元六部分。测量主机由基座、编码丝杆和双悬臂梁传感器组成。编码丝杆由传动丝杆和三态编码器组成。三态编码器由齿盘和四副悬臂梁传感器组成。双悬臂梁传感器由固定悬臂梁传感器和可动悬臂梁传感器组成。数据采集-分析-处理单元内置系统标定、数据分析、误差修正软件。测量时,双悬臂梁传感器夹持被测试件,并与编码丝杆配合,向数据采集-分析-处理单元传输测量信号,后者给出被测试件的直径值。(The invention discloses a method and a device for measuring diameter by using a cantilever beam sensor and a coding screw rod. The method and the device comprise a measuring host, an auxiliary positioning mechanism, a standard device, a positioning block, a tested piece and a data acquisition-analysis-processing unit. The measuring host consists of a base, a coding screw rod and a double-cantilever beam sensor. The coding screw rod consists of a transmission screw rod and a three-state coder. The tri-state encoder consists of a fluted disc and four pairs of cantilever beam sensors. The double cantilever beam sensor consists of a fixed cantilever beam sensor and a movable cantilever beam sensor. And the data acquisition-analysis-processing unit is internally provided with system calibration, data analysis and error correction software. During measurement, the double cantilever beam sensor clamps the tested piece and is matched with the coding screw rod to transmit a measurement signal to the data acquisition-analysis-processing unit, and the measurement signal gives a diameter value of the tested piece.)

用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置

技术领域

本设计提供一种用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置，用于材料力学性能试验中圆截面试样的直径测量以及工业领域圆截面轴类零件的直径测量，属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。

背景技术

双悬臂梁式直径测量仪^[1,2]是一种电阻应变式测量仪器，具有小于0.002毫米的分辨力，可以测量材料拉伸试样的直径以及其它类似等截面圆轴类零件的直径，测量精度不受人工操作因素的影响，适合于配接数据处理仪。但是，这种仪器的量程一般在2毫米以下，原因是电阻应变式传感器的测量范围受到弹性体变形量的限制。在工业及其它应用领域，对于能够以0.001～0.01毫米的分辨力测量0～200毫米乃至更大尺寸直径的测量技术，有着普遍的需求。对于这些大量程测量，现有电阻应变式直径测量方法是不能满足的。

[1]“一种电阻应变式直径测量装置及其使用方法”，中国专利，专利号：200810063266.5。

[2]Xiaodong Hu,Yang Lu,Error analysis of a twin-cantilever sensor formesuring external diameter,Measurement,77(2016)373-387.

发明内容

本设计的目的，是为材料力学性能试验用截面圆试样及一般截面圆轴类零件的直径测量，提供一种分辨力水平与电阻应变式直径测量方法相当且能够大幅度提高量程的用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置。属传感器、力学试验技术及机械测量技术领域。

本设计的用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置，其测量系统包括测量主机、辅助定位机构、标准器、定位块、被测试件和数据采集-分析-处理单元六部分。

测量主机由基座、编码丝杆和双悬臂梁传感器组成。基座的结构包括底板、底板下部的导轨、固定在底板上部的左轴承支板和右轴承支板。左轴承支板和右轴承支板相互平行，二者各有一个圆形通孔和一个方形通孔，圆形通孔位于方形通孔上方，两圆形通孔和两方形通孔分别同轴，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承和右轴承。在底板左端左轴承支板的下方有一突台，突台上有一螺纹通孔，该螺纹通孔的轴线与左轴承和右轴承的轴线平行，导轨的侧面有标尺刻线。编码丝杆由传动丝杆、限位导杆和三态编码器组成。传动丝杆为一螺纹台阶轴，其中间部分是螺纹轴，螺纹轴左右两侧各为一段光轴，螺纹外径大于左右两光轴的直径，左右两光轴分别与左轴承和右轴承配合，右侧光轴的右端装有驱动柄，即手摇柄。限位导杆的结构分为三段，中间段为沿杆轴线方向加工有U形导向限位槽的圆杆，左右两侧为方轴，两方轴分别与左轴承支板和右轴承支板上的方孔配合，使限位导杆固定在左轴承支板和右轴承支板上，U形导向限位槽方向朝上。三态编码器由齿盘、传感器支架和左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器组成。齿盘带有圆弧齿，共轴固定在传动丝杆的右侧光轴上，位于右轴承和驱动柄之间。传感器支架为一矩形框架，固定在基座上，并将齿盘围在中间。左上悬臂梁传感器、右上悬臂梁传感器、左下悬臂梁传感器、右下悬臂梁传感器采用等截面弹性梁或变截面弹性梁。四个弹性梁的根部分别与传感器支架上的四个矩形通孔配合，并利用紧定螺钉的压紧力，固定于传感器支架的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁。四个弹性梁在靠近根部处分别沿梁轴线方向贴有单轴电阻应变计[R₅,R₆]、[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]和[R₁₁,R₁₂]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘一侧分别加工有上三角形突棱、下三角形突棱、左三角形突棱、右三角形突棱。四个弹性梁在安装好之后，均有一定量的预变形，预变形产生的弹性压力使上三角形突棱、下三角形突棱、左三角形突棱、右三角形突棱的棱顶分别与齿盘周边的圆弧齿保持接触。上三角形突棱、下三角形突棱、左三角形突棱、右三角形突棱与圆弧齿接触点的具***置按以下条件确定：

a.设齿盘的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿和正下方圆弧齿的中心，同时齿盘的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿和最右端圆弧齿的中心；

b.此时，右三角形突棱位于齿盘水平对称线和最右端圆弧齿的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿之间的谷底；左三角形突棱位于齿盘的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿的顶点接触；上三角形突棱和下三角形突棱均位于齿盘纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿的右侧和正下方圆弧齿的右侧接触。右三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用h_min表示，左三角形突棱到齿盘纵向对称线的距离用h_max表示，上三角形突棱与正上方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离用h_mid表示，下三角形突棱与正下方圆弧齿接触点到齿盘水平对称线的距离也用h_mid表示。h_mid与h_min和h_max之间存在式(1)表示的关系：

h_min、h_mid和h_max称为特征高度，其中h_min是最小特征高度，h_mid是平均特征高度，h_max是最大特征高度。双悬臂梁传感器由可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器组成。可动悬臂梁传感器的结构包括变截面弹性梁、嵌装在弹性梁自由端右侧的带有直线刀刃的左夹持刃块、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₁,R₂]、固定在悬臂梁根部的传动螺母和固定在悬臂梁底部的限位销钉。可动悬臂梁传感器通过传动螺母与传动丝杆的配合和限位销钉与导向限位槽的配合安装在测量主机上。限位销钉与导向限位槽的配合使可动悬臂梁传感器不能转动，传动丝杆转动时，带动可动悬臂梁传感器沿传动丝杆的轴线方向移动。传动螺母与传动丝杆配合副采取消间隙措施，因此理论上可以认为传动丝杆改变旋转方向时，能够带动传动螺母无滞后地作反向移动。固定悬臂梁传感器的结构包括变截面弹性梁、嵌装在弹性梁自由端左侧的带有直线刀刃的右夹持刃块以及粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₃,R₄]。固定悬臂梁传感器固定在右轴承支板的顶部。固定悬臂梁传感器上带有一条水平走向的刻线，定义为游标，游标在水平面内与右夹持刃块的水平对称线平行。可动悬臂梁传感器的变截面弹性梁和固定悬臂梁传感器的变截面弹性梁形状、尺寸和材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两部分，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h。可动悬臂梁传感器与固定悬臂梁传感器处于对称位置，左夹持刃块和右夹持刃块上的直线刀刃相互平行，构成双悬臂梁传感器的测量夹持刃口。电阻应变计[R₁,R₂]与电阻应变计(R₃,R₄)组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用ε_r表示。

编码丝杆按以下方式工作：

1)三态编码器测量电路连接：将电阻应变计[R₅,R₆]、[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用

分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥测量电路的应变读数；

2)三态编码器测量电路零位调整：旋动驱动柄，齿盘随之转动，应变读数

均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T也表示齿盘上相邻两个圆弧齿的齿顶间距。齿盘每转过一个齿，即一个周期T，应变读数

分别完成一次循环。观察

的变化，当

刚好为最小值ε_rmin时，停止旋动驱动柄，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R₅,R₆]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即

重复前述动作，依次在

取得最小值ε_rmin时，调节电阻应变计[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]和[R₁₁,R₁₂]所在电桥的平衡电路，使

按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘，则应变读数

均在最小值0和一个最大值ε_rmax之间循环变化。最小值0对应于上三角形突棱或下三角形突棱或右三角形突棱或左三角形突棱处在正对相邻两圆弧齿之间的谷底位置，即对应最于小特征高度h_min；最大值ε_rmax对应于上三角形突棱或下三角形突棱或右三角形突棱或左三角形突棱处在与圆弧齿顶点接触的位置，即对应于最大特征高度h_max。以上调整三态编码器测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。

3)确定应变读数与齿盘旋转状态的关系：完成三态编码器测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数

的最大值ε_rmax、最小值0和平均值0.5ε_rmax。数字1与最大特征高度h_max对应，定义为满值。数字0与最小特征高度h_min对应，定义为零值。数字1/2与平均特征高度h_mid对应，定义为中值。满值、零值和中值统一定义为应变读数

的三态编码值，简称三态值。齿盘旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘的旋转状态即齿盘的旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：

表1应变读数

三态值的组合

表2齿盘顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。

表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小

表3齿盘逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。

表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小

从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环。齿盘沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数

的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。编号①至⑧的八行数据，两两互异，均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T；编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘(18)沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。

4)测定可动悬臂梁传感器的位移量：旋动驱动柄，将可动悬臂梁传感器调整到传动丝杆上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器的位移原点，将此时齿盘的位置记作齿盘的零位。旋动驱动柄，使齿盘从零位开始转动，可动悬臂梁传感器随之从位移原点起发生位移。用S表示可动悬臂梁传感器相对于位移原点的位移量，用公式(2)计算S：

式(2)中，t表示传动丝杆的导程，Nc表示齿盘的齿数，n_z,s表示齿盘自零位起顺时针累计转过的齿数，n_z,n表示齿盘自零位起逆时针累计转过的齿数，n_z,s和n_z,n恒取正值；n_z表示n_z,s与n_z,n之差，定义为有效转动齿数。n_z,s、n_z,n和n_z也称为齿盘转动参数。n_z和S是代数量。齿盘顺时针转动时，可动悬臂梁传感器向右移动，n_z和S的符号均为“-”；齿盘逆时针转动时，可动悬臂梁传感器向左移动，n_z和S的符号均为“+”。

辅助定位机构由支座、带键槽升降丝杆、调整螺母、导轨座、轴承座和调整螺杆组成。支座底部为一平板，该平板中心位置有一个垂直向上的圆柱筒，平板前部和后部分别固定有垂直向上的前部试件支板和后部试件支板，前部试件支板和后部试件支板的上部各有一个V形槽，这两个V形槽处于共轴位置。在V形槽的侧面有一条水平刻线，称为基准线，基准线距槽底的高度h_V按公式(3)确定：

式(3)中，θ表示V形槽两边之间的夹角。前部试件支板和后部试件支板构成试件定位支座。导轨座与导轨滑动配合，导轨座底部与带键槽升降丝杆的上端固定连结，带键槽升降丝杆与调整螺母配合，调整螺母上的台阶轴与圆柱筒的内孔配合，这四个连结、配合结构将测量主机安装在支座上。圆柱筒的内壁沿筒轴线方向嵌装有一方键，该方键与带键槽升降丝杆上的键槽滑动配合，使带键槽升降丝杆只能沿自身轴线移动，不能转动。旋动调整螺母时，调整螺母带动测量主机相对于前部试件支板和后部试件支板作升降移动。轴承座固定在导轨座左上侧，轴线与导轨平行，其上加工有轴承孔。调整螺杆的结构从左至右分为手轮、光轴、突肩和螺纹段四部分。调整螺杆的光轴部分与轴承座上的轴承孔配合，螺纹段与突台上的螺纹孔配合。旋动手轮时，调整螺杆带动测量主机在导轨座上向左或向右移动。导轨座侧面刻有指标线，指标线与导轨上的标尺刻线配合，指示导轨在导轨座上的位置。

标准器D₁、D₂，…，D_n由若干不同直径的标准圆柱体和定位轴套组成。标准圆柱体的直径值依次为d₁、d₂…，d_n，按d₁＜d₂,...,＜d_n的顺序排列，n≥2，表示标准圆柱体的数量。在标准圆柱体中，任选一个，将其定义为基准圆柱，基准圆柱的直径值定义为基准直径，基准直径用d₀表示。d₁、d₂，…，d_n的算术平均值用

表示。定位轴套的结构包括光轴和光孔两段，所有定位轴套上的光轴直径都相等。每一标准圆柱体的两端均以过盈配合方式与一个定位轴套的光孔配合，装配好的标准器D₁、D₂，…，D_n，其两端的光轴与标准圆柱体同轴。

定位块为一具有规定长度的长方形块体。

被测试件为材料力学性能试验用圆截面拉伸试件以及其它圆截面刚性轴类零件。

数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统。

测量直径的方法，包括以下操作步骤：

1)测量主机初始状态调整：旋动调整螺母，调整测量主机的高度，使固定悬臂梁传感器上的游标与前部试件支板上的基准线在水平面内对齐；旋动调整螺杆，调整测量主机的水平位置，使导轨座上的指标线与导轨上的0度表尺刻线对齐。

2)三态编码器零位调整：将电阻应变计[R₅,R₆]、[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]组成的四个半桥测量电路分别接入数据采集-分析-处理单元，按前述零位四步调整法对三态编码器测量电路进行零位调整。

3)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块置于可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器之间；旋转驱动柄，调整可动悬臂梁传感器的位置，当定位块长度方向的左右两个端面分别抵靠可动悬臂梁传感器根部的左侧面和固定悬臂梁传感器根部的右侧面时，停止旋转驱动柄，并将定位块移开，此时左夹持刃块的刀刃线与右夹持刃块的刀刃线相互平行，二者的间距s₀小于标准圆柱体的最小直径d₁；s₀定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距；设定好基准距s₀的双悬臂梁传感器状态，定义为基准态；在基准态下，后部试件支板和前部试件支板上的V形槽在x-y面内的投影与左夹持刃块和右夹持刃块在x-y面内的投影处于对称位置。在基准态下，由数据采集-分析-处理单元将可动悬臂梁传感器的当前位置记作位移原点，将齿盘的当前位置记作齿盘零位。

4)测量系统标定：将电阻应变计[R₁,R₂]与[R₃,R₄]组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元；将标准圆柱体D₁、D₂、，…，D_n依次放入V形槽，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数ε_r1，ε_r2，…，ε_rn；以ε_r1，ε_r2，…，ε_rn为标定数，用线性拟合方法得出直径值d与数据采集-分析-处理单元应变读数ε_r的函数关系，即直径计算公式

式(4)中，A和B是常数，分别用公式(5)和(6)计算：

式(5)和(6)中，n表示标准圆柱体的个数，d_i表示不同直径标准圆柱体的直径值，ε_ri表示与直径值d_i对应的应变读数，即标定数ε_r1，ε_r2，…，ε_rn。与基准直径d₀对应的标定数定义为基准应变示数，用符号ε_r0表示。

5)测量：旋动调整螺母，调整测量主机的高度，使游标与固定悬臂梁传感器上的基准线在水平面内对齐；旋转驱动柄，调整可动悬臂梁传感器的位置，使左夹持刃块与右夹持刃块的间距大于被测试件的直径d，数据采集-分析-处理单元同时以齿盘零位为基准，跟踪记录齿盘转的转动参数n_z、n_z,s和n_z,n；旋动调整螺杆，调整测量主机的水平位置，使V形槽位于左夹持刃块和右夹持刃块的正中间；将被测试件放入V形槽(13)；被测试件在V形槽上就位后，其与左夹持刃块和右夹持刃块都有一定量的间隙；再次旋动调整螺杆移动测量主机，使右夹持刃块与被测试件接触，固定悬臂梁传感器的弹性体发生挠曲变形，同时产生应变信号输出；旋动手轮，调整数据采集-分析-处理单元的应变读数ε_r，当ε_r＝ε_r0/2或ε_r≈ε_r0/2时，停止旋动手轮；再次旋转驱动柄，使可动悬臂梁传感器上的左夹持刃块与被测试件接触，当应变读数ε_r＝ε_r0或ε_r≈ε_r0时，停止旋转驱动柄；用当前的应变读数ε_r和转动参数n_z、n_z,s、n_z,n，按以下方法计算被测试件的直径d：

a)将ε_r代入式(4)，用d^*表示计算结果，即

b)将d^*代入修正公式(8)，得到等效直径d_S＝0：

式(8)中，d₀是基准直径，s₀是基准距，h是可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器上弹性梁柔性段ce的高度，H是可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器上弹性梁刚性段ac的高度，L₀是基准圆柱的轴线到可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器根部的距离，e是电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄的敏感栅到可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器根部的距离，m是可动悬臂梁传感器和固定悬臂梁传感器上弹性梁柔性段ce的长度，θ是V形槽的夹角；等效直径d_S＝0表示可动悬臂梁传感器位移量S＝0条件下测得的直径。

c)将n_z、n_z,s、n_z,n代入公式(2)，得到可动悬臂梁传感器的位移量S。

d)将d_S＝0和S代入公式(9)，得到被测试件的直径d：

d＝d_S＝0+S (9)

本设计具有以下特点：

1、直径测量范围宽。与现有的双悬臂梁式直径测量仪相比，本设计通过编码丝杆与两个悬臂梁传感器的组合运用实现测量直径，其量程主要取决于丝杆-悬臂梁传感器配合副的移程，而不是仅由悬臂梁的弹性变形量决定，因此能够大幅度提高量程，并且理论上可以测量0直径。利用本设计，可以设计宽量程测量仪器，例如0～20毫米，0～200毫米，200～500毫米，乃至更大量程的直径测量仪。

2、可以达到与现有双悬臂梁式直径测量仪同等水平的分辨力。本设计的分辨力由编码丝杆与悬臂梁传感器两方面因素决定，在编码丝杆的分辨力≤双悬臂梁传感器的分辨力的条件下，整机分辨力由双悬臂梁传感器的分辨力决定。可见，本设计可以具有双悬臂梁直径测量仪的分辨能力。

3、具有柔性性质。在本设计的测量过程中，当可动悬臂梁传感器与固定悬臂梁传感器均与被测试件接触后，数据采集-分析-处理单元即进入有效显示状态。在有效显示状态下，调整可动悬臂梁传感器的位置使应变读数ε_r在基准应变示数ε_r0附近变化，可以看到，虽然ε_r和可动悬臂梁传感器的位移量S都在变化，但是由公式(9)给出的直径值d保持不变(d是ε_r与S的代数和)。这个现象可以称为“柔性等差输出”，是悬臂梁传感器与编码丝杆组合测量机构的一个重要性质。在测量过程中，利用柔性等差输出性质，总可以通过调整可动悬臂梁传感器使应变读数ε_r＝ε_r0，由此至少可以带来两个好处：一是减少传感器非线性引起的误差，因为ε_r＝ε_r0意味着每次测量中悬臂梁传感器的两臂都有相同的工作点，即相同的弯曲变形和应变信号输出；二是有利于控制接触变形引起的误差，因为ε_r＝ε_r0意味着每次测量中夹持刃块与被测试件的接触压力都和标定时夹持刃块与标准圆柱的接触压力相等。

4、模拟测量与数字测量相结合。本设计由双悬臂梁传感器和编码丝杆两个基本测量单元组合而成。编码丝杆的主要功能部件三态编码器输出的应变信号是模拟量，经过数据采集-分析-处理单元三级量化处理，得到数字量三态编码值0、1/2、1。因此，本设计兼具模拟测量与数字测量双重属性。在测量过程中，数据采集-分析-处理单元根据两方面的条件参数实时判定齿盘的转动方向和转动角度：一是三态编码器四个半桥输出的应变模拟信号的升降变化，即四个应变输出信号的交替递增和递减；二是三态值的变化，即表2、表3给出的8个逻辑状态组合。这两方面条件参数具有确定的一一对应关系，二者相互配合，保证编码丝杆位移测量的正确性和准确性。

5、标定方法简单。本设计测量装置的校准是一个二元基准传递过程，即丝杆副长度基准传递和双悬臂梁传感器长度基准传递。其中丝杆副长度基准传递由丝杆副加工及检验工艺保证。在丝杆副传动精度满足要求的前提下，只要用一组标准器在可动悬臂梁传感器全部移程的一个局部范围对测量系统进行标定，就可以保证全量程直径测量的准确性。因此，本设计只须配置一种尺寸规格的标准器，而且可以在使用现场随时对仪器进行校准。

6、半自动数字化应用和全自动数字化应用均适合。测量主机以手摇驱动柄方式测量，为半自动数字化测量。采用微机控制伺服马达替代驱动柄，则可以实现闭环控制的全自动数字化测量。

附图说明

图1是测量装置构造简图的主视图；

图2是测量装置构造简图的右视图；

图3是三态编码器构造原理简图；

图4是标准器构造简图；

图5是双悬臂梁传感器全桥测量电路示意图；

图6是三态编码器的测量电路，其中(a)电阻应变计[R₅,R₆]半桥图，(b)电阻应变计[R₇,R₈]半桥图，(c)电阻应变计[R₉,R₁₀]半桥图，(d)电阻应变计[R₁₁,R₁₂]半桥图；

图中：1.基座，2.左轴承，3.传动丝杆，4.限位导杆，5.限位销钉，6.U形导向限位槽，7.传动螺母，8.可动悬臂梁传感器，9.左夹持刃块，10.被测试件，11.右夹持刃块，12.固定悬臂梁传感器，13.V形槽，14.后部试件支板，15.传感器支架，16.右上悬臂梁传感器，17.圆弧齿，18.齿盘，19.驱动柄，20.左下悬臂梁传感器，21.右下悬臂梁传感，22.导轨，23.右轴承，24.导轨座，25.带键槽升降丝杆，26.调整螺母，27.圆柱筒，28.方键，29.支座，30.左上悬臂梁传感器，31.上三角形突棱，32.下三角形突棱，33.右三角形突棱，34.左三角形突棱，35.前部试件支板，36.游标，37.基准线，38.轴承座，39.调整螺杆，40.突台，41.表尺刻线，42.指标线，43.标准圆柱体，44.定位轴套，45.紧定螺钉，46.矩形通孔，47.螺纹孔，SB.三态编码器，ZJ.测量主机，FJ.辅助定位机构，B.底板，B₁.左轴承支板，B₂.右轴承支板，(D₁、D₂，…，D_n).标准器，DK.定位块。

具体实施方式

以下结合附图对本设计作进一步说明。

参照图1-图6，本设计为一种用悬臂梁传感器与编码丝杆测量直径的方法及装置，包括测量主机ZJ、辅助定位机构FJ、标准器(D₁，D₂，…，D_n)、定位块DK、被测试件10和数据采集-分析-处理单元六部分。测量主机ZJ和辅助定位机构FJ组成基本测量装置，基本测量装置与标准器(D₁，D₂，…，D_n)、定位块DK、被测试件10和数据采集-分析-处理单元组成测量系统。

测量主机ZJ由基座1、编码丝杆和双悬臂梁传感器组成。基座1的结构包括底板B、底板B下部的导轨22、固定在底板B上部的左轴承支板B₁和右轴承支板B₂。左轴承支板B₁和右轴承支板B₂相互平行，二者各有一个圆形通孔和一个方形通孔，圆形通孔位于方形通孔上方，两圆形通孔处于同轴位置，两方形通孔也处于同轴位置，两圆形通孔内分别嵌装有左轴承2和右轴承23。底板B左端在左轴承支板B₁的下方有一突台40，突台40上有一螺纹通孔，该螺纹通孔的轴线与左轴承2和右轴承23的轴线平行且共面。导轨22的侧面加工有标尺刻线41。编码丝杆由传动丝杆3、限位导杆4和三态编码器SB组成。传动丝杆3为一螺纹台阶轴，其中间部分是螺纹段，螺纹段左右两侧各为一段光轴，螺纹外径大于左右两光轴的直径，左右两光轴分别与左轴承2和右轴承23配合。右侧光轴的右端带有驱动柄19。限位导杆4的结构分为三段，中间段为沿杆轴线方向加工有U形导向限位槽6的圆杆，左右两侧为方轴，两方轴分别与左轴承支板B₁和右轴承支板B₂上的方孔配合，使限位导杆4固定在左轴承支板B₁和右轴承支板B₂上，U形导向限位槽6方向朝上。限位导杆4不是必须采用的结构，如果在底板B上加工U形导向限位槽，则可以取代限位导杆，并使整体结构得到简化。三态编码器SB由齿盘18、传感器支架15和右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21、左上悬臂梁传感器30组成。齿盘18带有圆弧齿17，也可以采用其它形状的齿。齿盘18的齿数取4的倍数，例如256、512、360。齿盘18共轴固定在传动丝杆3的右侧光轴上，位置处在右轴承23和驱动柄19之间。传感器支架15为一固定在基座1上的矩形框架，该框架的四条边顺次在靠近一侧边角的位置加工有一个轴线平行于框架平面且垂直于所在边的矩形通孔46和一个与矩形通孔46垂直联通的螺纹孔47；传感器支架15将齿盘18围在中间。右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21、左上悬臂梁传感器30可以采用等截面弹性梁，也可以采用变截面弹性梁。四个弹性梁的根部分别与传感器支架15上的四个矩形通孔46配合，并利用紧定螺钉45的压紧力，固定于传感器支架15的上侧内壁、下侧内壁、右侧内壁和左侧内壁，如图3所示。四个弹性梁在靠近根部处分别沿各自的轴线方向贴有单轴电阻应变计[R₅,R₆]、[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]和[R₁₁,R₁₂]。四个弹性梁在靠近自由端处朝向齿盘18一侧分别加工有上三角形突棱31、下三角形突棱32、右三角形突棱33、左三角形突棱34。四个弹性梁在传感器支架15上安装固定之后，均有一定量的弯曲变形，称为预变形，预变形产生的弹性压力使三角形突棱31、32、33、34的棱顶分别与齿盘18周边的圆弧齿17保持接触。安装右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21、左上悬臂梁传感器30时，上三角形突棱31、下三角形突棱32、右三角形突棱33、左三角形突棱34与圆弧齿17接触点的具***置须按以下条件(方法)确定：

a.调整齿盘18的方位，使齿盘18的纵向对称线刚好通过正上方圆弧齿17和正下方圆弧齿17的中心，同时齿盘18的水平对称线刚好通过最左端圆弧齿17和最右端圆弧齿17的中心。

b.分别调整右上悬臂梁传感器16、左下悬臂梁传感器20、右下悬臂梁传感器21、左上悬臂梁传感器30的位置，使右三角形突棱33位于齿盘18水平对称线和最右端圆弧齿17的上侧，并且刚好对准相邻两圆弧齿17之间的谷底；左三角形突棱34位于齿盘18的水平对称线上，刚好与最左端圆弧齿17的顶点接触；上三角形突棱31和下三角形突棱32均位于齿盘18纵向对称线的右侧，分别与正上方圆弧齿17的右侧和正下方圆弧齿17的右侧接触。右三角形突棱33到齿盘18纵向对称线的距离用h_min表示，左三角形突棱34到齿盘18纵向对称线的距离用h_max表示，上三角形突棱31与正上方圆弧齿17接触点到齿盘18水平对称线的距离用h_mid表示，下三角形突棱32与正下方圆弧齿17接触点到齿盘18水平对称线的距离也用h_mid表示。h_mid与h_min和h_max之间应满足式(1)表示的关系：

h_min、h_mid和h_max称为特征高度，其中h_min称为最小特征高度，h_mid称为平均特征高度，h_max称为最大特征高度。双悬臂梁传感器由可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12组成。可动悬臂梁传感器8的结构包括变截面弹性梁、嵌装在弹性梁自由端右侧的带有直线刀刃的左夹持刃块9、粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₁、R₂]、固定在悬臂梁根部的传动螺母7和固定在悬臂梁底部的限位销钉5。可动悬臂梁传感器8通过传动螺母7与传动丝杆3的配合和限位销钉5与导向限位槽6的配合安装在测量主机ZJ上，限位销钉5与导向限位槽6的配合使可动悬臂梁传感器8不能转动，位置保持在传动丝杆3的正上方。传动丝杆3转动时，带动可动悬臂梁传感器8沿传动丝杆3的轴线方向移动。传动螺母7与传动丝杆3配合副应采取消间隙措施，理论上可以认为该配合副的空回量为零，因此传动丝杆3改变旋转方向时，能够带动传动螺母7无滞后地作反向移动。固定悬臂梁传感器12的结构包括变截面弹性梁、嵌装在弹性梁自由端左侧的带有直线刀刃的右夹持刃块11以及粘贴在悬臂梁根部附近左右两侧的单轴电阻应变计[R₃、R₄]。固定悬臂梁传感器12固定在右轴承支板B2的顶部。固定悬臂梁传感器12上加工有一条水平走向的刻线，该刻线定义为游标36，游标36在水平面内与左夹持刃块11的水平对称线平行。可动悬臂梁传感器8的变截面弹性梁和固定悬臂梁传感器12的变截面弹性梁形状、尺寸和材料均相同，梁的横截面为矩形，从自由端a到根部e分为刚性段ac和柔性段ce两段，刚性段ac与柔性段ce段的宽度相等，刚性段ac的高度H大于柔性段ce段的高度h。可动悬臂梁传感器8与固定悬臂梁传感器12处于对称位置，左夹持刃块9和右夹持刃块11上的直线刀刃相互平行，构成双悬臂梁传感器的测量夹持刃口。电阻应变计[R₁,R₂]与电阻应变计[R₃,R₄]组成全桥测量电路，该电路产生的应变信号用ε_r表示。

编码丝杆按以下方式工作：

1)三态编码器SB测量电路连接：将电阻应变计[R₅,R₆]、[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]分别以半桥方式接入数据采集-分析-处理单元，用

分别表示数据采集-分析-处理单元测得的这四个半桥测量电路的应变读数。

2)三态编码器SB测量电路零位调整：旋动驱动柄19，齿盘18随之转动，应变读数均发生连续周期性变化，变化周期用T表示，T同时也表示齿盘18上相邻两个圆弧齿17的齿顶间距。齿盘18每转过一个齿，即一个周期T，应变读数

分别完成一次循环。观察

的变化，当

刚好为最小值ε_rmin时，停止旋动驱动柄19，调节数据采集-分析-处理单元上电阻应变计[R₅,R₆]所在电桥的平衡电路，使之达到平衡状态，即然后重复前述动作，依次在

取得最小值ε_rmin时，调节电阻应变计[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]和[R₁₁,R₁₂]所在电桥的平衡电路，使

按以上方法完成四个半桥测量电路零位调整后，再转动齿盘18，则应变读数

均在最小值0和一个最大值ε_rmax之间循环变化，最小值0对应于上三角形突棱31或下三角形突棱32或右三角形突棱33或左三角形突棱34处在正对相邻两圆弧齿17之间的谷底位置，即对应于最小特征高度h_min，最大值ε_rmax对应于上三角形突棱31或下三角形突棱32或右三角形突棱33或左三角形突棱34处在与圆弧齿17顶点接触的位置，即对应于最大特征高度h_max。以上调整三态编码器SB测量电路零位的方法，称为零位四步调整法。

3)确定应变读数与齿盘18旋转状态的关系：完成三态编码器SB测量电路零位调整后，规定用数字1、0和1/2分别表示应变读数

的最大值ε_rmax、最小值0和平均值0.5ε_rmax。数字1与最大特征高度h_max对应，定义为满值；数字0与最小特征高度h_min对应，定义为零值；数字1/2与平均特征高度h_mid对应，定义为中值。满值、零值和中值共同定义为应变读数

的三态编码值，简称三态值。齿盘18旋转时，三态值0、1/2、1按周期T循环变化。三态值的循环变化，用于确定齿盘18的旋转状态，即旋转方向和旋转角度。三态值总共有四个不同的组合，如表1所示：

表1应变读数

的三态值组合

表2齿盘18顺时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。

表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小

表3齿盘18逆时针转动过程中，三态值0、1/2、1在每一个周期T内的变化。

表中“↑”表示三态值增大，“↓”表示三态值减小

从表1中任选一个三态值组合，做为确定齿盘18旋转状态的起始点，为明确起见，选择三态值组合1，则齿盘18沿顺时针方向每转过一个齿，三态值按表2所示完成一个周期T的循环。齿盘18沿逆时针方向每转过一个齿，三态值按表3所示完成一个周期T的循环。在表2和表3中，周期T被划分成四个1/4子周期，在每一个1/4子周期内，四个应变读数

的三态值0、1/2、1分别发生不同的升降变化。

编号①至⑧的八行数据，两两互异，均具有唯一性，其中每一行数据都唯一地表示齿盘18的一个特定旋转状态。例如，编号③的一行数据表示且只表示齿盘18沿顺时针方向转过一个周期T内的第三个1/4周期，即0.5T至0.75T；编号⑤的一行数据表示且只表示齿盘18沿逆时针方向转过一个周期T内的第一个1/4周期，即0至0.25T。连续变化的应变读数与三态值配合，起到监测齿盘18旋转状态的作用。

4)测定可动悬臂梁传感器8的位移量：旋动驱动柄19，将可动悬臂梁传感器8调整到传动丝杆3上的某一指定位置或任意位置，将该位置记作为可动悬臂梁传感器8的位移原点，并将此时齿盘18的位置记作齿盘的零位；旋动驱动柄19，使齿盘18从零位开始转动，可动悬臂梁传感器8随之从位移原点起发生位移；用S表示可动悬臂梁传感器8相对于位移原点的位移量，用公式(2)计算S：

式(2)中，t表示传动丝杆3的导程，N_c表示齿盘18的齿数，n_z,s表示齿盘18自零位起顺时针累计转过的齿数，n_z,n表示齿盘18自零位起逆时针累计转过的齿数，n_z,s和n_z,n恒取正值；n_z表示n_z,s与n_z,n之差，定义为有效转动齿数；n_z,s、n_z,n和n_z也称为齿盘转动参数。n_z和S是代数量。齿盘18顺时针转动时，可动悬臂梁传感器8向右移动，n_z和S的符号均为“-”；齿盘18逆时针转动时，可动悬臂梁传感器8向左移动，n_z和S的符号均为“+”。

辅助定位机构FJ由支座29、带键槽升降丝杆25、调整螺母26、导轨座24、轴承座38和调整螺杆39组成。支座29底部为一平板，该平板中心位置有一个垂直向上的圆柱筒27，平板前部和后部分别固定有垂直向上的前部试件支板35和后部试件支板14。前部试件支板35和后部试件支板14的上部各有一个V形槽13，二者处于共轴位置。在V形槽13的侧面有一条水平刻线，称为基准线37，基准线37距槽底b的高度h_V按公式(3)确定：

式(3)中，θ表示V形槽13两边之间的夹角。前部试件支板35和后部试件支板14构成试件定位支座；导轨座24与导轨22滑动配合。导轨座24底部与带键槽升降丝杆25的上端固定连结，带键槽升降丝杆25与调整螺母26配合，调整螺母26上的台阶轴与圆柱筒27的内孔配合，这四个连结、配合结构将测量主机ZJ安装在支座29上。圆柱筒27的内壁沿筒轴线方向嵌装有一方键28，方键28与带键槽升降丝杆25上的键槽滑动配合，使带键槽升降丝杆25只能沿自身轴线移动，不能转动。旋动调整螺母26时，调整螺母26带动测量主机ZJ相对于前部试件支板35和后部试件支板14作升降移动。轴承座38固定在导轨座24左上侧，其上加工有轴承孔。调整螺杆39的结构从左至右分为手轮4、光轴、突肩和螺纹段四部分。调整螺杆39的光轴部分与轴承座38上的轴承孔配合，螺纹段与突台40上的螺纹孔配合。旋动手轮45时，调整螺杆39带动测量主机ZJ在导轨座24上向左或向右移动。导轨座24侧面刻有指标线42，指标线42与导轨22上的标尺刻线41配合，指示导轨22在导轨座24上的位置。

标准器(D₁、D₂，…，D_n)由若干不同直径的标准圆柱体43和定位轴套44组成。标准圆柱体43的直径值依次为d₁、d₂…，d_n，按从d₁＜d₂,...,＜d_n的顺序排列，n≥2，表示标准圆柱体43的数量。在标准圆柱体43中，任选一个(一般以选择直径值居中者为宜)，将其定义为基准圆柱。基准圆柱的直径值定义为基准直径，基准直径用d₀表示。d₁、d₂，…，d_n的算术平均值用表示。定位轴套44的结构包括光轴和光孔两段，所有定位轴套44上的光轴直径都相等。每一标准圆柱体43的两端均以过盈配合方式与一个定位轴套44的光孔配合。装配好的标准器(D₁、D₂，…，D_n)，其两端的光轴与标准圆柱体43同轴。标准器(D₁、D₂，…，D_n)采用标准圆柱体43与定位轴套配装的44组合结构，目的是保证用标准器对测量系统进行标定时，不同直径的标准圆柱体43与夹持刃块(左夹持刃块9和右夹持刃块11)的接触点都相同。

定位块DK为一具有适当长度的长方形块体，长度的大小根据标准圆柱体43的直径确定，要求是使基准距s₀小于标准圆柱体43的最小直径值d₁，即满足条件s₀＜d₁。关于基准距s₀的说明，见以下“直径测量方法”部分。

被测试件10为材料力学性能试验用圆截面拉伸试件以及其它圆截面刚性轴类零件。

数据采集-分析-处理单元包括应变信号采集-调理电路和装有测量软件的微计算机系统，所述的测量软件就是按照本发明的方法原理所开发的软件。

直径测量方法，包括测量系统的调整、标定和测量，操作步骤如下：

1)测量主机初始状态调整：旋动调整螺母26，调整测量主机ZJ的高度，使固定悬臂梁传感器12上的游标36与前部试件支板14上的基准线37在水平面x-z内对齐；旋动手轮45，调整测量主机ZJ的水平位置，使导轨座24上的指标线42与导轨22上的0刻度表尺刻线41对齐。

2)三态编码器SB零位调整：将电阻应变计[R₅,R₆]、[R₇,R₈]、[R₉,R₁₀]、[R₁₁,R₁₂]组成的四个半桥测量电路分别接入数据采集-分析-处理单元，按前述零位四步调整法对三态编码器SB测量电路进行零位调整。

3)设定基准距、位移原点、齿盘零位：将定位块DK置于可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12之间；旋转驱动柄19，调整可动悬臂梁传感器8的位置，当定位块DK长度方向的左右两个端面分别抵靠可动悬臂梁传感器8根部的左侧面和固定悬臂梁传感器12根部的右侧面时，停止旋转驱动柄19，并将定位块DK移开；此时左夹持刃块9的刀刃线与右夹持刃块11的刀刃线相互平行，二者的间距s₀小于标准圆柱体的最小直径d₁，定位块DK的长度，即按此条件设计；将s₀定义为双悬臂梁传感器基准距，简称基准距；设定好基准距s₀的双悬臂梁传感器状态，定义为基准态；在基准态下，后部试件支板14和前部试件支板35上的V形槽13在x-y面内的投影与左夹持刃块9和右夹持刃块11在x-y面内的投影处于对称位置；在基准态下，由数据采集-分析-处理单元将可动悬臂梁传感器8的当前位置记作位移原点，将齿盘18的当前位置记作齿盘零位。

4)测量系统标定：将电阻应变计[R₁,R₂]与[R₃,R₄]组成的全桥测量电路接入数据采集-分析-处理单元；将标准圆柱体D₁，D₂，…，D_n依次放入V形槽13，由数据采集-分析-处理单元记下相应的应变读数ε_r1，ε_r2，…，ε_rn；以ε_r1，ε_r2，…，ε_rn为标定数，用线性拟合方法得出直径值d与数据采集-分析-处理单元应变读数ε_r的函数关系，即直径计算公式

式(4)中，A和B是常数，分别用公式(5)和(6)计算：

式(5)和(6)中，n表示标准圆柱体41的个数，d_i表示不同直径标准圆柱体的直径值，ε_ri表示与直径值d_i对应的应变读数，即标定数ε_r1，ε_r2，…，ε_rn。由基准圆柱得到的应变读数(标定数)定义为基准应变示数，用符号ε_r0表示。

3)测量：旋动调整螺母26，调整测量主机ZJ的高度，使游标36与固定悬臂梁传感器12上的基准线37在水平面内对齐；旋转驱动柄19，调整可动悬臂梁传感器8的位置，使左夹持刃块9与右夹持刃块11的间距大于被测试件10的直径d，数据采集-分析-处理单元同时以齿盘零位为基准，跟踪记录齿盘18的转动参数n_z、n_z,s和n_z,n；旋动调整螺杆39，调整测量主机ZJ的水平位置，使V形槽13位于左夹持刃块9和右夹持刃块11的正中间；将被测试件10放入V形槽13，使之固定在试件支座上；被测试件10在试件支座的V形槽13内就位后，与左夹持刃块9和右夹持刃块11均应留有一定间隙；再次旋动调整螺杆39，移动测量主机ZJ，使右夹持刃块11与被测试件10接触，固定悬臂梁传感器12的弹性体发生挠曲变形，同时产生应变信号输出；旋动手轮45，调整数据采集-分析-处理单元的应变读数ε_r，当ε_r＝ε_r0/2或ε_r≈ε_r0/2时，停止旋动手轮45；再次旋转驱动柄19，使可动悬臂梁传感器8上的左夹持刃块9与被测试件10接触，当应变读数ε_r＝ε_r0或ε_r≈ε_r0时，停止旋转驱动柄19；用当前的应变读数ε_r和齿盘18转动参数n_z、n_z,s、n_z,n，按以下方法计算被测试件10的直径d：

a)将ε_r代入式(4)，用d^*表示计算结果，即

b)将d^*代入修正公式(8)，得到的结果d_S＝0称为等效直径：

式(8)中，d₀是基准直径，s₀是基准距，h是可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12上弹性梁柔性段ce的高度，H是可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12上弹性梁刚性段ac的高度，L₀是基准圆柱的轴线到可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12根部的距离，e是电阻应变计R₁、R₂、R₃、R₄的敏感栅中心点到可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12根部的距离，m是可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12上弹性梁柔性段ce的长度，θ是V形槽13的夹角。等效直径d_S＝0表示可动悬臂梁传感器8位移量S＝0条件下测得的直径；

c)将n_z、n_z,s、n_z,n代入公式(2)，得到可动悬臂梁传感器8的位移量S：

d)将d_S＝0和S代入公式(9)，得到被测试件10的直径d：

d＝d_S＝0+S (9)

测量装置可以采用伺服马达替代驱动柄19，实现闭环控制的全自动数字化测量。

测量软件基本算法的程序设计按照以上说明进行。在测量方法的直径计算程序中引入修正公式(8)，是为了消除触点偏移误差。触点偏移误差，是指由于直径不同的被测试件10与夹持刃块(左夹持刃块9和右夹持刃块11)的接触点位置不同而产生的直径测量误差。在图1中，L和L₀分别表示被测试件10的轴线和基准圆柱的轴线到可动悬臂梁传感器8和固定悬臂梁传感器12根部的距离，二者之差ΔL＝L-L₀，称为触点偏移。ΔL的存在，会造成一定的测量误差，即触点偏移误差。有关触点偏移误差的分析，见参考文献“Xiaodong Hu,Yang Lu,Error analysis of a twin-cantilever sensor for mesuring externaldiameter,Measurement,77(2016)373-387”。