疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置的研制與實(shí)驗(yàn)研究*

劉玫玲，駱 昕，陳洪芳*，李士帥

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100124；2.北京市計量檢測科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

疲勞試驗(yàn)機(jī)是測量試件疲勞極限和疲勞壽命等性能指標(biāo)的材料試驗(yàn)機(jī)，與產(chǎn)品質(zhì)量、工程質(zhì)量和人身安全密切相關(guān)[1]。目前國內(nèi)外對于疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置的研究基本都是基于ASTM E466-2007，ISO1099:2006、GB/T3075-2008以及HB5287-1996等規(guī)程，規(guī)范中對標(biāo)準(zhǔn)測力裝置的靜態(tài)、動態(tài)性能的測量方法和性能指標(biāo)都有明確的規(guī)定[2]。1998年，KUMME R[3]對力傳感器動態(tài)標(biāo)定比較方法進(jìn)行了研究并指出：補(bǔ)償動態(tài)力誤差的傳感器需同時具有力值測量模塊和振動或加速度測量模塊；2004年，德國物理技術(shù)研究院(PTB)運(yùn)動學(xué)研究部門研制出了絕對法瞬態(tài)沖擊力、正弦力校準(zhǔn)系統(tǒng)[4]；英國國家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)則使用比較法構(gòu)建了動態(tài)力測量系統(tǒng)，將待測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)測力計所得數(shù)進(jìn)行了比較，判定動態(tài)性能指標(biāo)；2009年，F(xiàn)UIJI Y[5]研究了沖擊力、循環(huán)力及階躍力下的動態(tài)校準(zhǔn)方法，完善了動態(tài)力補(bǔ)償理論。

目前，國內(nèi)僅有北京長城計量測試技術(shù)研究所具備成熟的絕對動態(tài)力校準(zhǔn)裝置，并與德國PTB完成了正弦力雙邊比對，技術(shù)水平相當(dāng)。目前在國內(nèi)普遍存在只對疲勞機(jī)靜態(tài)力值進(jìn)行校準(zhǔn)，而在對試樣的疲勞特性測量中使用動態(tài)力值的現(xiàn)實(shí)問題，存在需要改進(jìn)的地方。

本文將研制高準(zhǔn)確度的疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究其靜態(tài)、動態(tài)特性。按照目前國內(nèi)外通用的絕對法測量原理，基于LabVIEW,設(shè)計疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)，以完成力學(xué)信號的實(shí)時采集、傳輸、轉(zhuǎn)換與分析。

1 檢測與校準(zhǔn)原理

1.1 靜態(tài)檢測、校準(zhǔn)原理

使用標(biāo)準(zhǔn)力法檢測測力儀靜態(tài)性能，在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上分別對力傳感器進(jìn)行拉、壓兩個方向的校準(zhǔn)；對動態(tài)校準(zhǔn)裝置的進(jìn)回程差、示值誤差、內(nèi)插誤差各與標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比對，判定裝置靜態(tài)準(zhǔn)確度等級。

1.2 動態(tài)檢測、校準(zhǔn)原理

對振動加速度進(jìn)行動態(tài)測量。將待測傳感器固定在標(biāo)準(zhǔn)振動平臺上，作動器帶動平臺進(jìn)行額定幅值與頻率的純正弦運(yùn)動，分析加速度計的時域、頻域指標(biāo)[6]。

校準(zhǔn)裝置動態(tài)特性和慣性力的存在是產(chǎn)生結(jié)果不確定度的主要分量[7]。當(dāng)動態(tài)力誤差超出允許范圍時，需要進(jìn)行修正。在ASTM E467-08(R2014)[8]和文獻(xiàn)[9]中，分析并給出了慣性負(fù)荷修正公式，使用加速度計法計算慣性力影響量為：

(1)

式中：W—慣性重物的重量；g—重力加速度；α—慣性重物的加速度，使用顯示的最大加速度。

由式(1)可得：為減小動態(tài)慣性力影響量，應(yīng)盡量減小等效慣性重物質(zhì)量[10]。

在純正弦運(yùn)動過程中，以向上振動階段為例，傳感器受力情況如圖1所示。

圖1 純正運(yùn)動中傳感器受力情況

結(jié)合公式(1)可得傳感器動態(tài)平衡方程為：

(2)

式中：α—加速度計所測加速度大??；F1—應(yīng)變式力傳感器所測受力大，振動臺振動過程中實(shí)際施加的力值F為兩者之和，向下振動時同理。

通過上述方法，在純正弦運(yùn)動中實(shí)現(xiàn)了慣性力補(bǔ)償。

2 裝置研制

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由于實(shí)心圓柱式力傳感器的動態(tài)特性最優(yōu)[11]，所以使用德國GTM DR-F系列力傳感器，可對兆牛范圍內(nèi)的加速度力補(bǔ)償進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

應(yīng)變式力傳感器和加速度計信號由傳感器采集至NI模塊，再經(jīng)DAQ嵌入式平臺輸入LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將結(jié)果顯示在屏幕上，其中各項(xiàng)參數(shù)也可由上位機(jī)更改。

2.2 軟件設(shè)計

軟件由靜態(tài)力測量和動態(tài)加速度測量兩個模塊組成，子模塊分類及其作用如圖2所示。

圖2 上位機(jī)靜、動態(tài)力測量軟件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)具有參數(shù)輸入、對應(yīng)關(guān)系設(shè)置、定時設(shè)置、記錄設(shè)置、顯示設(shè)計等結(jié)構(gòu)，以滿足不同的情況需要。NI模塊將傳感器接收到的力值和加速度信號傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行對比分析與顯示；上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件由LabVIEW編程，實(shí)現(xiàn)電壓信號多種算法對比分析、圖像化顯示及數(shù)據(jù)備案保存作用。

3 校準(zhǔn)裝置實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)特性校準(zhǔn)

由于每個傳感器的靈敏度和說明書給定值有所偏差，在正式使用之前，需對其靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。使用負(fù)荷為按照J(rèn)JG 632-2005《動態(tài)力傳感器檢定規(guī)程》[12]與JJG144-2007《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》[13]所規(guī)定的5點(diǎn)測量法，在50 kN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上分別對待測傳感器施加5 kN、10 kN、20 kN、30 kN、50 kN壓力。

靜態(tài)特性校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 靜態(tài)特性校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置1—力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)；2—DR-F系列傳感器；3—壓塊；4—拉力鉤

本研究使用Grapher軟件進(jìn)行多點(diǎn)修正，修正后的直線參數(shù)如表1所示。

表1 多點(diǎn)修正直線參數(shù)

由表1結(jié)果可得：斜率K平均值1.001，截距與所測負(fù)荷的商的平均值為1.001，以上兩項(xiàng)的和為傳感器標(biāo)準(zhǔn)靈敏度2.002 mV/V，靜態(tài)靈敏度為0.04 mV/kN。

本研究使用修正后的傳感器標(biāo)準(zhǔn)靈敏度重復(fù)拉、壓實(shí)驗(yàn)，記錄校準(zhǔn)裝置輸出的數(shù)據(jù)。

按照《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》中所示方法計算重復(fù)性、示值誤差、進(jìn)回程差，結(jié)果如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可得：疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置滿足0.3級標(biāo)準(zhǔn)測力儀的技術(shù)指標(biāo)，符合《標(biāo)準(zhǔn)測力儀檢定規(guī)程》要求。

表2 不同負(fù)荷下力校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果

3.2 動態(tài)特性校準(zhǔn)

依據(jù)文獻(xiàn)[14]中的實(shí)驗(yàn)方法，本研究將疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置中的傳感器置于標(biāo)準(zhǔn)電動振動平面上，標(biāo)準(zhǔn)振動平臺帶動傳感器做固定加速度值與振動頻率的純正弦運(yùn)動。利用采集卡對傳感器信號進(jìn)行連續(xù)采集，并與施加激勵對比。

通過對比校準(zhǔn)裝置輸出信號和標(biāo)準(zhǔn)量之間的對應(yīng)關(guān)系，判定疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置是否能夠準(zhǔn)確測量出振動信號的特性。

施加加速度大小為10 g，振動頻率為160 Hz的激勵時，動態(tài)振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 動態(tài)振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在施加加速度為10 g，施加頻率為160 Hz的情況下，實(shí)測加速度大小為10.04 g，在0.1 s內(nèi)有16個完整周期，實(shí)測頻率為160 Hz。

由此可得：在試驗(yàn)機(jī)工作頻率范圍內(nèi)，疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置的頻率響應(yīng)的變化不超過±0.1 dB(±1%)，符合JJG 556-2011《軸向加荷疲勞試驗(yàn)機(jī)檢定規(guī)程》[15]要求，測量結(jié)果真實(shí)可信。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的疲勞試驗(yàn)機(jī)動態(tài)校準(zhǔn)裝置，它能現(xiàn)場采集和實(shí)時處理力學(xué)信號，并通過上位機(jī)實(shí)時顯示信號分析結(jié)果，并保存信號處理的結(jié)果；此外，針對這套裝置的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進(jìn)行了校準(zhǔn)研究，并通過加速度計法補(bǔ)償慣性負(fù)荷，減小慣性力誤差，提高系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度。

測試實(shí)驗(yàn)表明：該實(shí)時處理能力強(qiáng)，界面顯示清晰直觀，能夠定性的分析疲勞試驗(yàn)機(jī)的動態(tài)特性，系統(tǒng)采集精度高，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平；對疲勞試驗(yàn)機(jī)工作狀態(tài)的診斷有實(shí)際指導(dǎo)意義，具有工程應(yīng)用價值。