一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置的制作方法

1.本实用新型属于材料试验技术领域，更具体地说，涉及一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置。


背景技术：

2.在研究物体碰撞的过程中，碰撞恢复系数具有重要的意义，它能够反映出物体在接触碰撞过程中发生形变与恢复形变的能力，同时也能够较好地反映出在碰撞过程中能量损耗情况的大小。碰撞恢复系数只与碰撞物体的材料有关，一般定义为碰撞前后两物体接触点的法向相对分离速度与法向相对接近速度之比。而通常物体碰撞前后的时间很短，想要准确获取碰撞前后的速度往往比较困难，且测量误差也较大，从而影响了碰撞恢复系数的计算结果精度。
3.此外，目前行业里大多研究的是对竖直运动方向上碰撞恢复系数的测定，如，中国专利申请号为：201610887586.7，申请日为：2016年10月12日，发明创造名称为：一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的装置。该申请案的装置包括底座、支架、横梁、碰撞球、碰撞板、声音传感器、采集卡和计算机；所述碰撞板和支架固定在底座上，横梁安装在支架上，且横梁位于碰撞板上方，碰撞球嵌在横梁上，声音传感器设置在碰撞板旁边且靠近碰撞球下落的位置，所述声音传感器、采集卡与计算机依次连接；所述碰撞球与碰撞板分别采用不同的碰撞材料制成。
4.上述申请案中主要是通过测量碰撞材料多次碰撞时对应的音频变化的时刻，从而计算获得其碰撞恢复系数，但是此种装置和方法只能运用于竖直方向上的碰撞恢复系数的测定，难以用于水平运动方向上碰撞恢复系数的测量，无法解决水平方向上对材料碰撞恢复系数进行测定的难题。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.针对现有技术中对材料在水平运动方向上的碰撞恢复系数测试较为困难，且测试精度不高的问题，本实用新型提供了一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置。采用本实用新型的装置有效解决了水平方向对材料碰撞系数测定的问题，且装置结构简单，操作简单、准确度较高，对推广到各个行业中进行应用具有重要意义。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
9.本实用新型的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置，包括主体机构、夹持释放机构和信号采集处理机构，所述主体机构包括底板、侧板和测试轨道，所述侧板沿底板长度方向分布，并对称安装于底板两侧，所述测试轨道位于两侧板之间，并沿底板长度方向固定安装；所述夹持释放机构对称设置于测试轨道端口上方，其释放口对准测试轨道的入口端，用于控制测试球的夹持和释放；所述信号采集处理机构包括光栅传感器，光栅传感
器可拆卸安装于侧板内侧壁上，用于信号的采集和传输。
10.更进一步的，所述测试轨道包括依次相连的第一弧形段、水平段和第二弧形段，所述第一弧形段和第二弧形段均通过支撑板安装于底板两端，所述水平段与底板安装相连，且第一弧形段、水平段和第二弧形段均加工为凹槽型结构。
11.更进一步的，第一弧形段、水平段和第二弧形段两侧的挡板高度为测试球直径的1/3～1/2，且水平段中心处挡板加工有凹槽，用于安装测试挡板。
12.更进一步的，所述夹持释放机构包括安装板、安装杆和夹持释放夹，所述安装板采用“l”型板，其水平板与测试轨道端口平齐相连，其竖直板通过安装杆安装夹持释放夹。
13.更进一步的，所述夹持释放夹上设有延时装置，用于定时自动控制测试球的夹持与释放。
14.更进一步的，所述信号采集处理机构还包括光栅解调仪和计算机，所述光栅传感器与光栅解调仪及计算机电性连接。
15.更进一步的，所述底板上对称加工有两个卡槽，用于卡合固定光栅传感器。
16.更进一步的，所述底板底部设有万向轮。
17.更进一步的，所述万向轮上设有制动装置。
18.3.有益效果
19.相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
20.(1)本实用新型的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置，包括主体机构、夹持释放机构和信号采集处理机构，通过对其整体结构进行优化设计，从而能够有效实现水平方向上对材料的碰撞恢复系数进行测定，结构简单，操作方便，成本较为低廉，对实验环境要求较低，数据采集的误差小，显著提高了测定结果的精确度，具有重要的行业推广意义。
21.(2)本实用新型的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置，通过对主体机构和夹持释放机构的具体结构进行优化，从而能够保证测试球在测试时至少能够发生两次碰撞，能够尽可能地采集较多的实验数据，有利于减少测量误差，提高精度。同时，采用光栅传感器进行采集相关数据，较传统采用声音传感器而言，不受实验场地环境限制，可方便进行测定，耗时短，精度高。此外，夹持释放机构还安装有延迟装置，便于对测试球的释放进行控制。
22.(3)本实用新型的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置，所述测试轨道包括弧形段和水平段，均加工为凹槽型结构，能够很好地对测试球的运动进行导向。同时，对测试轨道两侧的挡板高度进行设计，从而避免了光栅传感器检测不到测试球的现象发生，设计合理。且底板上加工有卡槽，用于卡合固定光栅传感器，便于安装和拆卸。
23.(4)本实用新型的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置，测试轨道水平段中心设有测试挡板，可根据实际需要，一方面不仅可以测试水平面上球与球碰撞的碰撞恢复系数，另一方面还可以测试球与任意不同材料的板块之前碰撞的碰撞恢复系数。此外，装置底板底部还设有带制动装置的万向轮，从而便于移动整个装置，使用起来较为便捷。
附图说明
24.图1为本实用新型的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置的整体结构示
意图；
25.图2为本实用新型的装置的主视结构示意图；
26.图3为本实用新型的信号采集处理机构的连接示意图。
27.图中：
28.1、侧板；2、测试轨道；3、安装板；4、安装杆；5、光栅传感器；6、底板；7、夹持释放夹；8、支撑板；9、万向轮；10、凹槽；11、光栅解调仪；12、计算机。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
30.实施例1
31.本实施例的一种基于光栅传感器测定碰撞恢复系数的装置，包括主体机构、夹持释放机构和信号采集处理机构。所述夹持释放机构位于主体机构上方，用于控制测试球向下释放，信号采集处理机构中信号采集设备位于主体机构两侧，用于信号的采集和传输。本实用新型通过对其整体结构进行优化设计，从而能够有效实现水平方向上对材料的碰撞恢复系数进行测定，结构简单，操作方便，数据采集的误差小，显著提高了测定结果的精确度，成本较为低廉，对实验环境要求较低，具有重要的行业推广意义。
32.具体的，结合图1
‑
3，所述主体机构包括底板6、侧板1和测试轨道2，所述信号采集处理机构包括光栅传感器5、光栅解调仪11和计算机12，光栅传感器5与光栅解调仪11及计算机12电性连接。所述光栅传感器5可拆卸安装于侧板1内侧壁上，用于信号的采集和传输，再光栅解调仪11及计算机12进行处理，计算得到碰撞恢复系数。经本实用新型通过采用光栅传感器5进行采集相关数据，较传统采用声音传感器而言，不受实验场地环境限制，可方便进行测定，耗时短，精度高。
33.所述底板6具体为长方形(本实施例中采用长方形，其实际形状也可根据具体的实验需求进行设计)，所述侧板1沿底板6长度方向分布，并对称安装于底板6的两侧。所述测试轨道2位于两侧板1之间，也沿底板6长度方向分布，并位于底板6中心位置进行固定安装。底板6上对称加工有两个安装槽，用于卡合固定光栅传感器5，便于安装和拆卸。同时，底板6底部还设有带有制动装置的万向轮9，从而便于移动整个装置，使用起来较为便捷。
34.所述测试轨道2包括依次相连的第一弧形段、水平段和第二弧形段，所述第一弧形段和第二弧形段均通过支撑板8安装于底板6两端，所述水平段与底板6安装相连，且第一弧形段、水平段和第二弧形段均加工为凹槽结构，便于对测试球的运动方向进行导向。需要说明的是，测试轨道2的水平段轨道应设置的较长一些，以便光栅传感器5能尽量多的记录位移
‑
时间数据，但也不应设置过长，因为底板6上的测试轨道2表面不是绝对光滑，以防测试球第一次碰撞后因摩擦不能再次回到测试轨道2的弧形段轨道而导致不能再次进行碰撞。实际实验时，应当根据实验具体需求，保证在测试球至少可以发生两次碰撞为佳，从而有利于尽可能地采集较多的实验数据，减少测量误差，提高精度。
35.同时，第一弧形段、水平段和第二弧形段两侧的挡板高度可以控制为测试球直径的1/3～1/2，通过对测试轨道2两侧的挡板高度进行设计，从而避免了光栅传感器5检测不到测试球的现象发生，设计相对较为合理。此外，水平段轨道中心处的挡板上加工有凹槽10，用于安装测试挡板。可根据实际需要，一方面不仅可以测试水平面上球与球碰撞的碰撞
恢复系数，另一方面还可以测试球与任意不同材料的板块之前碰撞的碰撞恢复系数。
36.所述夹持释放机构对称设置于测试轨道2端口上方，其释放口对准测试轨道2的入口端，用于控制测试球的夹持和释放，其包括安装板3、安装杆4和夹持释放夹7。所述安装板3采用“l”型板，其水平板与测试轨道2端口平齐相连，其竖直板通过安装杆4安装夹持释放夹7。更优化的，所述夹持释放夹7上设有延时装置，可以用于定时控制测试球的夹持与释放，操作便捷。
37.采用上述装置测定物体水平运动方向上的碰撞恢复系数的方法，其具体操作步骤如下：
38.(1)首先将光栅传感器5固定在底板6两侧设有的卡槽中；将光栅传感器5、光栅解调仪11和计算机12通过数据线依次连接好；将测试球放入两端的夹持释放夹7中；
39.(2)经过延时装置设定的时间之后，两个测试球被同时释放，测试球沿着测试轨道2滚动；
40.(3)光栅解调仪11将通过光栅传感器5采集到的两段信号发送至计算机12，计算机12生成位移
‑
时间曲线；
41.(4)根据实验采集的数据，使用以下公式测定待测物体的碰撞恢复系数e：碰撞后瞬时速度v2与碰撞前瞬时速度v1的比值：
42.左右两个测试球同时下落，到测试轨道2的水平段轨道部分运动一段位移后开始发生碰撞，碰撞后两小球向相反方向运动到弧形段轨道部分，再次向水平段轨道运动直至相互碰撞，往返多次后，两小球停止运动，此时得到两段位移
‑
时间曲线，根据位移与时间的关系，可以计算每次碰撞前后的速度，设左边的小球每次碰撞前的位移为δx
i
，时间为δt
i
，右边的小球每次碰撞前的位移为δx
i
'，时间为δt
i
'则有：
43.左右两个小球第一次碰撞前的速度：
44.左右两个小球第一次碰撞后的速度：
45.所以：
46.第一次碰撞后，两测试球的碰撞恢复系数：
[0047][0048]
最后求e的平均值：
[0049]
以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。