鋼絲繩張力測量儀的校準(zhǔn)及不確定度評定

蔣 帆, 康張宜, 劉 一, 王文昌, 李 矛, 郭 飚

(1.上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院， 上海 201203; 2.上海大學(xué)， 上海 201203)

鋼絲繩是工程結(jié)構(gòu)中用于承受拉力的重要構(gòu)件[1], 由于其質(zhì)量輕并且具有較高的抗拉強(qiáng)度和韌性，被廣泛用于電梯、起重運(yùn)輸設(shè)備和橋梁索道結(jié)構(gòu)中。工作過程中鋼絲繩所受的張力是影響設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素，一旦由于疲勞和磨損造成鋼絲繩張力變化，進(jìn)而導(dǎo)致其承載能力降低，將直接關(guān)系到生命和財(cái)產(chǎn)安全[2]。

隨著檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，鋼絲繩的張力檢測已由定性檢測發(fā)展到定量檢測，具體可分為非接觸式和接觸式兩種檢測方式。起初，有些學(xué)者通過使用沖擊力打擊鋼絲繩而產(chǎn)生振動波估算鋼絲繩的張力[3-4]，但振動產(chǎn)生的主次波峰很難分辨，影響測量精度。另外有些特殊工程通過磁通檢測元件實(shí)時監(jiān)測磁通量的變化來反映鋼絲繩的張力[2]，但是此方法需預(yù)先得到或假設(shè)鋼絲繩的常數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)出鋼絲繩張力的變化。目前，實(shí)際工程檢測中主要采用的是接觸式應(yīng)變測力方法[5]，即采用張力測量儀直接接觸鋼絲繩測量其張力值。為了滿足工業(yè)發(fā)展的需求，確保鋼絲繩張力測量儀的量值可靠，筆者分析了鋼絲繩張力測量儀的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，研究了設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和示值誤差的不確定度。

1 鋼絲繩張力測量儀的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 鋼絲繩張力測量儀的基本結(jié)構(gòu)

鋼絲繩張力測量儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備的固定裝置和鋼絲繩夾與鋼絲繩直接接觸，允許鋼絲繩上負(fù)載測量；夾緊手柄一般可以調(diào)節(jié)鋼絲繩夾的張開角度，從而確保對不同型號的鋼絲繩施加適合的夾緊力[5]，保證在加載過程中鋼絲繩夾和鋼絲繩之間不產(chǎn)生相對位移；固定裝置內(nèi)部包含一個或多個傳感器，可以將微小變形轉(zhuǎn)換成電信號的形式輸出，用于測量鋼絲繩夾頂端位置受到的支撐力。

圖1 鋼絲繩張力測量儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of steel wire rope tension meter

1.2 傳感器的工作原理

傳感器一般采用應(yīng)變式電阻傳感器，它是利用應(yīng)變效應(yīng)測量微小變形的理想傳感器?？紤]設(shè)備所需要實(shí)現(xiàn)的功能與生產(chǎn)成本，傳感器可以簡化為直流電橋，工作原理如圖2所示。電橋電路由電阻和電源組成，輸出電壓ΔU為[6]

(1)

式中：R1，R2，R3，R4為4個電阻值；U為電源電壓。

圖2 傳感器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor working principle

當(dāng)R1R3=R2R4時，輸出電壓ΔU=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。各電阻值相等(均為R)形成等臂電橋時，假設(shè)在R1的電阻橋臂上接入一個應(yīng)變信號ΔR，則輸出電壓為

(2)

因?yàn)棣?R，所以輸出電壓和電阻變化率近似成線性關(guān)系，在此傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的精度需求，選擇采用半橋或全橋結(jié)構(gòu)，將電信號提供給放大電路放大后進(jìn)行測量，以提高測量的靈敏度，實(shí)現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換。

1.3 張力的計(jì)算方法

彎曲法是根據(jù)鋼絲繩縱橫彎曲原理，將張力測量儀夾持在張緊的鋼絲繩上，迫使鋼絲繩局部產(chǎn)生類似于三點(diǎn)彎曲的變形[1]，如圖3所示，圖中T為鋼絲繩的張力，P為傳感器上的橫向壓緊力，l為傳感器的測定標(biāo)距,α為鋼絲繩夾的張開角，δ為傳感器上的位移。

圖3 鋼絲繩張力測量示意圖Fig.3 Tension measurement diagram of steel wire rope

將整段鋼絲繩視為受橫向壓緊力和軸向拉力共同作用的三跨連續(xù)梁，傳感器上的鋼絲繩夾與被測鋼絲繩表面接觸，而后向下壓緊強(qiáng)迫鋼絲繩局部產(chǎn)生位移信號和壓緊力信號。根據(jù)材料力學(xué)理論，假設(shè)張開角α很小，可以得到鋼絲繩張力的近似表達(dá)式[7]

(3)

在實(shí)際工程中為了提高工作效率并且方便計(jì)算張力，生產(chǎn)廠家根據(jù)工況設(shè)計(jì)不同的夾緊手柄結(jié)構(gòu)，根據(jù)傳感器的性能匹配不同的鋼絲繩夾張開角α[8]，通過大量的試驗(yàn)使傳感器的信號強(qiáng)度、力值的線性和重復(fù)性以及滑輪與鋼絲繩的使用壽命等均達(dá)到最佳狀態(tài)。

2 鋼絲繩張力測量儀的校準(zhǔn)

2.1 校準(zhǔn)器的選擇

為方便調(diào)整和固定校準(zhǔn)區(qū)域的位置，保證測量數(shù)據(jù)的有效性，采用測力杠桿式試驗(yàn)機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)裝置[9]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測力杠桿式試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of lever-type force testing machine

在標(biāo)準(zhǔn)裝置上夾持鋼絲繩，通過加減可溯源的配套砝碼調(diào)節(jié)杠桿得到張力標(biāo)準(zhǔn)值，在該張力條件下，將被檢張力測量儀加到鋼絲繩上測量張力，可以得到這一校準(zhǔn)點(diǎn)處張力測量儀的測量結(jié)果，經(jīng)一系列校準(zhǔn)點(diǎn)的測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以得到被檢張力測量儀的示值、示值誤差、直線度和重復(fù)性等性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩張力測量儀的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。

2.2 鋼絲繩的選擇

不同批次鋼絲繩間存在一定的直徑偏差，這對張力測量以及校準(zhǔn)有較大的影響。當(dāng)對張力測量儀進(jìn)行校準(zhǔn)時，需選用與工程中各項(xiàng)性能指標(biāo)一致的鋼絲繩，或截取一段實(shí)際使用的鋼絲繩，以減少鋼絲繩結(jié)構(gòu)差異對張力測量結(jié)果的影響。

鋼絲繩具有一定的柔韌性，但位置固定后，越接近兩端受力點(diǎn)的鋼絲繩柔韌性越差，即中間段和兩端受力點(diǎn)的張力不同，會導(dǎo)致張力測量儀受力狀態(tài)發(fā)生變化。為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測量儀需與鋼絲繩的兩端保持一定距離，選擇鋼絲繩中部且表面無損傷的部位進(jìn)行測量。

2.3 校準(zhǔn)方法

圖5 鋼絲繩截面示意圖Fig.5 Section diagram of steel wire rope

(4)

3 鋼絲繩張力測量儀示值誤差的不確定度評定實(shí)例

根據(jù)鋼絲繩張力測量儀的計(jì)量特性，為了簡化計(jì)算過程，可以首先計(jì)算示值的不確定度[11]，然后通過量程示值誤差的不確定度，得到鋼絲繩張力測量儀示值誤差的不確定度。

3.1 數(shù)學(xué)模型

不確定度的數(shù)學(xué)模型為

(5)

式中：ΔF為鋼絲繩張力測量儀的示值誤差。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源主要為測力杠桿式試驗(yàn)機(jī)的不確定度u1以及重復(fù)測量引起的不確定度u2兩個部分。

測力杠桿式試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確度等級為0.1級[9]，使用B類方法，服從均勻分布，可得不確定度為

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示值重復(fù)性引起的不確定度u2的測量結(jié)果的算術(shù)平均值和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 不確定度u2測量結(jié)果的平均值和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差Tab.1 Average value and experiment standard deviation of measurement results of uncertainty u2 N

取算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差中最大值作為u2，則有不確定度為

u2=3.0 N

(7)

3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

u1和u2相互獨(dú)立不相關(guān)[12]，根據(jù)不確定度的傳播定律，得到測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(8)

示值誤差的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc,rel為

(9)

3.4 擴(kuò)展不確定度的評定

取包含因子k=2，鋼絲繩張力測量儀測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度Urel為

Urel=k·uc,rel=

2×0.084%FS≈0.17%FS

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3.5 評定結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以得到標(biāo)準(zhǔn)裝置引入不確定度u1為2.9 N, 重復(fù)測量引入不確定度u2為3.0 N，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為4.2 N，擴(kuò)展不確定度Urel(k=2)為0.17%FS。由于標(biāo)準(zhǔn)裝置、輔助設(shè)備及環(huán)境條件等所引入的測量擴(kuò)展不確定度一般應(yīng)小于被檢設(shè)備最大允許誤差的1/3，確定此校準(zhǔn)方法適用于準(zhǔn)確度等級高于0.5級的鋼絲繩張力測量儀的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

通過對鋼絲繩張力測量儀基本結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，結(jié)合設(shè)備的使用工況選擇測力杠桿式試驗(yàn)機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)裝置，并使用可溯源的配套砝碼提供標(biāo)準(zhǔn)力值，得到鋼絲繩張力測量儀的實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了張力測量儀的室驗(yàn)室校準(zhǔn)。通過對鋼絲繩張力測量儀的示值誤差進(jìn)行不確定度評定，確定當(dāng)被測量的鋼絲繩張力測量儀準(zhǔn)確度等級高于0.5級時，使用該校準(zhǔn)方法可以確保鋼絲繩張力測量儀測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，其擴(kuò)展不確定度為0.17%FS。