[发明专利]一种基于动态量测离心力的结构角加速度测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于动态量测离心力的结构角加速度测量装置，其特征在于，所述的结构角加速度测量装置包括内部核心装置(2)、外壁封装罩(3)及数据采集处理模块(12)；内部核心装置(2)通过外壁封装罩(3)固定在所测结构外表面(1)，内部核心装置(2)与数据采集处理模块(12)相连，外壁封装罩(3)用于保护内部核心装置(2)，并限制实心球(4)的位移，使其只能沿装置纵向运动；

所述的内部核心装置(2)包括实心球(4)、刚性块体(5)、柔性块体(6)、应变片(7)、侧向限位连杆(8)、滑轮(9)、轨道(10)；所述的实心球(4)为球形实体，其材料特性均匀，质心在球心处；实心球(4)与外壁封装罩(3)内壁和刚性块体(5)均为点接触，实心球(4)可自由活动，但受限于外壁封装罩(3)和刚性块体(5)，在未受外力的状态下相对于外壁封装罩(3)处于固定的状态；所述的刚性块体(5)一端与实心球(4)点接触，其相对的另一端与柔性块体(6)的一端连接，用于传递实心球(4)与柔性块体(6)之间的力；所述的刚性块体(5)另外两端通过侧向限位连杆(8)与滑轮(9)连接，滑轮(9)限制在轨道(10)上，轨道(10)固定在外壁封装罩(3)内壁，保证刚性块体(5)在受力的情况下能够自由移动；所述的柔性块体(6)的另一端固定在外壁封装罩(3)的右侧内壁，作为受力基体；应变片(7)固定在柔性块体(6)表面，且与数据采集处理模块(12)相连，用于检测柔性块体(6)的应变，通过计算得到结构扭转时实心球(4)产生的离心力。

2.采用权利要求1所述的装置测量结构角加速度的方法，其特征在于以下步骤：

第一步，将结构角加速度测量装置固定在所需测量的结构外表面(1)；若以装置中实心球(4)为头部，则头部都面向结构的扭转中心；

第二步，结构角加速度测量装置在扭转情况下，由于实心球(4)离心力的存在，使得实心球(4)作用于刚性块体(5)，由于理想的刚性块体(5)不会变形，故将力传递给柔性块体(6)，柔性块体(6)受力挤压后产生的应变由应变片(7)测出，由应变片(7)所得的应变ε得到离心力大小：

F＝ε×E×A (1)

其中，E为装置里的柔性块体(6)的弹性模量；A为装置的柔性块体(6)与实心球(4)点接触所在面的横截面面积，即为装置柔性块体(6)的横截面面积；ε为柔性块体(6)的应变，并且ε＝ε_测-ε₀，其中ε_测为直接测得的柔性块体(6)的应变，ε₀为由于结构表面不平整引起的柔性块体(6)的初始应变；

第三步，将瞬态角加速度的测量转化为动态离心力的测量，计算结构扭转的角速度ω：

其中，m为实心球(4)的质量，ω为结构扭转的角速度，同时也是实心球(4)随结构扭转的角速度；r为结构扭转中心与实心球(4)球心的距离；F为实心球(4)的离心力；

第四步，利用(6)式计算结构转动的角加速度α，即

其中t₁、t₂为任意的两个无限接近的时刻，ω₁、ω₂为t₁、t₂时刻分别对应的结构扭转时的角速度；

综合以上四步，可直接得出：

其中α为结构的瞬时角加速度，ε₁、ε₂为t₁、t₂时刻分别对应的柔性块体的应变。