林喜鑒

摘要：文中主要針對應(yīng)變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數(shù)測量進行研究，包括應(yīng)變計動靜態(tài)一體化測量裝置的總體結(jié)構(gòu)及各模塊的具體設(shè)計；然后對所設(shè)計出的測量裝置進行動靜態(tài)特性參數(shù)的實驗測量驗證，并進一步討論分析論證實驗數(shù)據(jù)可靠性，以驗證文中所提出的裝置可用于開展應(yīng)變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數(shù)的測量，為計量行業(yè)研究人員實現(xiàn)應(yīng)變計動靜態(tài)特性參數(shù)的測量提供一種參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變計；靜態(tài)；動態(tài)；應(yīng)變

Research on Dynamic and Static Characteristic Measuring Device of Tool-type Strain Sensor

LIN Xijian

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： This article mainly focuses on the measurement of static and dynamic metrological characteristics parameters of strain gauges， including the overall structure of the strain gauge dynamic and static integrated measurement device and the specific design of each module; Then， experimental measurement and verification of the static and dynamic characteristic parameters of the designed measuring device will be conducted， and further discussion and analysis will be conducted to demonstrate the reliability of the experimental data， in order to verify that the device proposed in this article can be used for measuring the static and dynamic metrological characteristic parameters of strain gauges， and provide a reference for researchers in the metrology industry to implement the static and dynamic characteristic parameters of strain gauges.

Key Words： Strain gauges; Static; Dynamic; Strain

0引言

工具式應(yīng)變傳感器（以下簡稱“應(yīng)變計”），是將應(yīng)變量（形變量）轉(zhuǎn)化為電信號（電壓、電流或頻率）變化輸出的傳感元件。應(yīng)變計通常與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集器配套組成應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，用于長期動態(tài)監(jiān)測（如梁、柱、樁基等）、鋼結(jié)構(gòu)（如大型廠房、場館里的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等）由于工作應(yīng)力、溫度應(yīng)力、干縮應(yīng)力而引起的應(yīng)變值，故廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、鐵路、交通、水電、大壩工程監(jiān)測領(lǐng)域[1]。

而應(yīng)變計作為應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接關(guān)系到應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。特別是計量特性參數(shù)，對被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性與健康性評價的準(zhǔn)確性都有很大的影響，因此實現(xiàn)應(yīng)變計計量參數(shù)準(zhǔn)確測量和深入研究是十分有價值的[1]。

1動靜態(tài)計量特性

應(yīng)變計具有靜態(tài)和動態(tài)兩種計量特性，靜態(tài)特性反映了輸入量為定值或變化緩慢時，應(yīng)變計的輸出量與輸入量的關(guān)系，包括靜態(tài)靈敏度、線性度、重復(fù)性、零值誤差、穩(wěn)定度等。動態(tài)特性反映了輸入量為正弦穩(wěn)態(tài)變化時，應(yīng)變計的輸出量與輸入量的關(guān)系，包括參考靈敏度、頻率響應(yīng)、幅值線性度等[2]。

在應(yīng)變計動靜態(tài)計量特性校準(zhǔn)中，主要依據(jù)JJG 930-2021《基樁動態(tài)測量儀檢定規(guī)程》校準(zhǔn)方法中的6.3.3 動測儀應(yīng)變測量系統(tǒng)，按功能可分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)校準(zhǔn)。

2 動靜態(tài)測量裝置

結(jié)合應(yīng)變測量傳感器校準(zhǔn)項目、校準(zhǔn)方法的要求，該應(yīng)變測量傳感器動靜態(tài)測量裝置的總體設(shè)計理念是用計算機控制取代人工操作，提高測量精度和測量效率，實現(xiàn)測量過程的全自動化，并具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝可靠、操作便捷等特點。

2.1 總計結(jié)構(gòu)

應(yīng)變計動靜態(tài)測量裝置總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，裝置主要由機械系統(tǒng)（包括機架、振動臺、伺服電機、螺母絲杠運動機構(gòu)、導(dǎo)軌、滑臺等）、驅(qū)動系統(tǒng)（包括信號發(fā)生器、功率放大器、電機控制器等）、測量系統(tǒng)（包括光柵位移傳感器、加速度計、數(shù)據(jù)采集器等）、計算機控制系統(tǒng)（包括下位機系統(tǒng)、上位機及測控軟件）等組成。

動態(tài)校準(zhǔn)時，首先將被校應(yīng)變計一端固定在機架上，另一端固定在振動臺臺面上，然后由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制信號發(fā)生器輸出設(shè)定頻率和幅值的正弦信號，通過功率放大器驅(qū)動振動臺工作，并由標(biāo)準(zhǔn)加速度計測量振動臺輸出加速度值，進而計算得到振動臺振動位移值，從而算出施加到被校準(zhǔn)應(yīng)變計上的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值，而被校準(zhǔn)應(yīng)變計輸出電壓信號與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值之比，可得到被校準(zhǔn)應(yīng)變計的動態(tài)靈敏度值。各頻率點下的動態(tài)靈敏度按公式（1）計算[3]。

式中：

S—— 應(yīng)變測量傳感器的動態(tài)靈敏度，μV/με；

U——應(yīng)變測量傳感器的輸出電壓，μV；

a——標(biāo)準(zhǔn)振動臺的加速度值，m/s2；

f——標(biāo)準(zhǔn)振動臺的振動頻率，Hz；

L0——應(yīng)變測量傳感器標(biāo)距，m。

靜態(tài)校準(zhǔn)時，首先將被校應(yīng)變計一端固定在機架上，另一端固定在滑臺上，然后由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制電機控制器驅(qū)動伺服電機工作，并通過螺母絲杠機構(gòu)帶動滑臺每次以被測應(yīng)變計10%量程做線性位移運動，共有11個測量點。上位機通過光柵位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡依次記錄各測量點的位移值和應(yīng)變計的輸出電壓值。靜態(tài)靈敏度的計算采用最小二乘法，按式（2）計算。

式中：

S—— 應(yīng)變測量傳感器的靜態(tài)靈敏度，μV/με；

n——檢測次數(shù)（i=1，2，3，…，n）；

Li——第i點的給定位移值，m；

L0——應(yīng)變測量傳感器標(biāo)距，m；

根據(jù)上述設(shè)計思路，應(yīng)變計動靜態(tài)測量裝置分為三部分進行設(shè)計：機械系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

2.2 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)是整個測量裝置的基礎(chǔ)，功能上主要是實現(xiàn)機械運動和傳感器安裝。機械運動是實現(xiàn)被測應(yīng)變傳感器做直線位移和振動位移運動，傳感器的安裝是滿足不同規(guī)格的應(yīng)變計安裝且滿足傳感器安裝的技術(shù)要求。

機械系統(tǒng)主要包括機架、靜態(tài)運動機構(gòu)（螺母絲杠運動機構(gòu)、導(dǎo)軌、滑臺）、動態(tài)運動機構(gòu)（振動臺）和多功能傳感器安裝機構(gòu)等。一體化自動校準(zhǔn)裝置機械結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)為整個測量裝置所用到的所有電子硬件設(shè)備，按裝置功能分為靜態(tài)特性系統(tǒng)和動態(tài)特性系統(tǒng)。

2.3.1 靜態(tài)特性硬件系統(tǒng)

靜態(tài)特性硬件系統(tǒng)由直線位移運動系統(tǒng)、直線位移測量系統(tǒng)和應(yīng)變計輸出采集系統(tǒng)組成。其中，直線位移運動系統(tǒng)由工控機、運動控制卡、驅(qū)動器和電機組成，直線位移測量系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡和光柵尺組成，應(yīng)變計輸出采集系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、被測應(yīng)變計系統(tǒng)組成。系統(tǒng)硬件總體框架圖如圖3所示[4]。

本系統(tǒng)中工控機和DMC3600運動控制器、NI 6356多功能數(shù)據(jù)采集卡組成上位控制和采集單元。工控機通過DMC3600運動控制卡發(fā)送運動控制指令給CL57D數(shù)字式閉環(huán)步進驅(qū)動器，驅(qū)動60CMW22X閉環(huán)伺服電機傳動KK6010P型直線運動導(dǎo)軌上安裝有被測應(yīng)變計的滑塊運動。同時固定在滑塊上的光柵讀數(shù)頭與貼在直線導(dǎo)軌上的RGS20光柵尺帶輸出相應(yīng)位移量的光柵脈沖信號，NI 6356 數(shù)據(jù)采集卡I/O計數(shù)器端對光柵脈沖信號進行計數(shù)，并實時反饋給PC機。同時NI 6356 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端采集被測應(yīng)變計的輸出電壓，從而實現(xiàn)被測應(yīng)變計靜態(tài)特性參數(shù)的測量。靜態(tài)特性硬件系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

① 最大加載力：2000N；

② 直線位移測量范圍：（0～5）mm；

③ 直線位移定位精度：10μm；

④ 靜態(tài)應(yīng)變測量范圍：（0～2000）?ε（p）；

⑤ 電壓采集系統(tǒng)：16bit；

⑥ 測量不確定度優(yōu)于1%（=2）。

2.3.2 動態(tài)特性硬件系統(tǒng)

動態(tài)特性硬件系統(tǒng)由振動位移激勵系統(tǒng)、振動位移測量系統(tǒng)和應(yīng)變計輸出采集系統(tǒng)組成。其中，振動位移激勵系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器和標(biāo)準(zhǔn)振動臺組成，振動位移測量系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)加速度計和電荷放大器組成，應(yīng)變計輸出采集系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、被測應(yīng)變計系統(tǒng)組成。系統(tǒng)硬件總體框架圖如圖4所示。

本系統(tǒng)中工控機和NI 6356多功能數(shù)據(jù)采集卡組成上位控制和采集單元。工控機通過調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出端的正弦信號（頻率和幅值），通過功率放大器驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)振動臺做正弦振動。經(jīng)安裝在振動臺中心臺面上標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組拾取轉(zhuǎn)換為交流電壓信號輸出，NI 6356 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端同時采集標(biāo)準(zhǔn)加速度計套組和被測應(yīng)變計的輸出電壓，并實時反饋給工控機，從而實現(xiàn)被測應(yīng)變計動態(tài)特性參數(shù)的測量。動態(tài)特性硬件系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

① 最大激振力：500N；

② 振動頻率：（5～2000）Hz；

③ 動態(tài)位移測量范圍：（0.01～2.00）mm（pp）；

④ 動應(yīng)變測量范圍：（0.1～500）?ε（p）；

⑤ 電壓采集系統(tǒng)：16bit；

⑥ 測量不確定度優(yōu)于3%（=2）。

2.4 軟件系統(tǒng)

基于Labview的應(yīng)變測量傳感器動靜態(tài)測量裝置的軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能開發(fā)的，故軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要包括靜態(tài)特性、動態(tài)特性兩個軟件模塊；功能上主要實現(xiàn)直線位移運動控制、振動位移運動控制和被測應(yīng)變計輸出采集，同時能夠?qū)屿o態(tài)特性參數(shù)進行計算，保存，并能夠生成測試報告。上位機軟件提供已于操作的人機交互界面，并根據(jù)相應(yīng)操作指令完成應(yīng)變計動靜態(tài)特性自動化測量。靜態(tài)特性軟件模塊主界面如圖5所示，動態(tài)特性軟件模塊主界面如圖6所示。

3測量實驗

3.1 實驗方案

本次選用北京盛賽克公司生產(chǎn)的CYB-YB-F1K型的應(yīng)變測量傳感器進行動靜態(tài)特性參數(shù)的測量實驗，CYB-YB-F1K型的應(yīng)變測量傳感器的測量范圍為±1000?ε，標(biāo)稱標(biāo)距為76.2mm。實驗方法依據(jù)JJG 930-2021《基樁動態(tài)測量儀檢定規(guī)程》6.3.3 動測儀應(yīng)變測量系統(tǒng)。

3.2 實驗結(jié)果與分析

│En│≤1 則測量結(jié)果為滿意；

│En│＞1 則測量結(jié)果為不滿意。

表1是該一體化測量裝置和中國計量院測量裝置對CYB-YB-F1K應(yīng)變測量傳感器的聲場特性參數(shù)測量結(jié)果。從校準(zhǔn)結(jié)果對比驗證可知，該裝置對應(yīng)變測量傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果（靜、動態(tài)靈敏度）滿足對比驗證，可作為應(yīng)變測量傳感器校準(zhǔn)用測量裝置，用于開展對應(yīng)變測量傳感器的校準(zhǔn)[5]。

4結(jié)語

文中主要針對應(yīng)變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數(shù)測量進行研究，包括應(yīng)變計動靜態(tài)一體化測量裝置的總體結(jié)構(gòu)及各模塊的具體設(shè)計，然后對所設(shè)計出的測量裝置進行動靜態(tài)特性參數(shù)的實驗測量驗證，并進一步討論分析論證實驗數(shù)據(jù)可靠性，以驗證文中所提出的裝置可用于開展應(yīng)變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數(shù)的測量。

參考文獻

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