工具式應(yīng)變傳感器動(dòng)靜態(tài)特性測(cè)量裝置的研究

林喜鑒

摘要：文中主要針對(duì)應(yīng)變計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)量特性參數(shù)測(cè)量進(jìn)行研究，包括應(yīng)變計(jì)動(dòng)靜態(tài)一體化測(cè)量裝置的總體結(jié)構(gòu)及各模塊的具體設(shè)計(jì)；然后對(duì)所設(shè)計(jì)出的測(cè)量裝置進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證，并進(jìn)一步討論分析論證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性，以驗(yàn)證文中所提出的裝置可用于開(kāi)展應(yīng)變計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)量特性參數(shù)的測(cè)量，為計(jì)量行業(yè)研究人員實(shí)現(xiàn)應(yīng)變計(jì)動(dòng)靜態(tài)特性參數(shù)的測(cè)量提供一種參考。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變計(jì)；靜態(tài)；動(dòng)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(jiǎn)稱“應(yīng)變計(jì)”），是將應(yīng)變量（形變量）轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電壓、電流或頻率）變化輸出的傳感元件。應(yīng)變計(jì)通常與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集器配套組成應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（如梁、柱、樁基等）、鋼結(jié)構(gòu)（如大型廠房、場(chǎng)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(cè)領(lǐng)域[1]。

而應(yīng)變計(jì)作為應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。特別是計(jì)量特性參數(shù)，對(duì)被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性與健康性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性都有很大的影響，因此實(shí)現(xiàn)應(yīng)變計(jì)計(jì)量參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量和深入研究是十分有價(jià)值的[1]。

1動(dòng)靜態(tài)計(jì)量特性

應(yīng)變計(jì)具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種計(jì)量特性，靜態(tài)特性反映了輸入量為定值或變化緩慢時(shí)，應(yīng)變計(jì)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(dòng)態(tài)特性反映了輸入量為正弦穩(wěn)態(tài)變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)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(jì)動(dòng)靜態(tài)計(jì)量特性校準(zhǔn)中，主要依據(jù)JJG 930-2021《基樁動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》校準(zhǔn)方法中的6.3.3 動(dòng)測(cè)儀應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，按功能可分為靜態(tài)校準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

2 動(dòng)靜態(tài)測(cè)量裝置

結(jié)合應(yīng)變測(cè)量傳感器校準(zhǔn)項(xiàng)目、校準(zhǔn)方法的要求，該應(yīng)變測(cè)量傳感器動(dòng)靜態(tài)測(cè)量裝置的總體設(shè)計(jì)理念是用計(jì)算機(jī)控制取代人工操作，提高測(cè)量精度和測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全自動(dòng)化，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝可靠、操作便捷等特點(diǎn)。

2.1 總計(jì)結(jié)構(gòu)

應(yīng)變計(jì)動(dòng)靜態(tài)測(cè)量裝置總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，裝置主要由機(jī)械系統(tǒng)（包括機(jī)架、振動(dòng)臺(tái)、伺服電機(jī)、螺母絲杠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、滑臺(tái)等）、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、電機(jī)控制器等）、測(cè)量系統(tǒng)（包括光柵位移傳感器、加速度計(jì)、數(shù)據(jù)采集器等）、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（包括下位機(jī)系統(tǒng)、上位機(jī)及測(cè)控軟件）等組成。

動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，首先將被校應(yīng)變計(jì)一端固定在機(jī)架上，另一端固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上，然后由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制信號(hào)發(fā)生器輸出設(shè)定頻率和幅值的正弦信號(hào)，通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)工作，并由標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)輸出加速度值，進(jìn)而計(jì)算得到振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)位移值，從而算出施加到被校準(zhǔn)應(yīng)變計(jì)上的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值，而被校準(zhǔn)應(yīng)變計(jì)輸出電壓信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值之比，可得到被校準(zhǔn)應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)靈敏度值。各頻率點(diǎn)下的動(dòng)態(tài)靈敏度按公式（1）計(jì)算[3]。

式中：

S—— 應(yīng)變測(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度，μV/με；

U——應(yīng)變測(cè)量傳感器的輸出電壓，μV；

a——標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的加速度值，m/s2；

f——標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率，Hz；

L0——應(yīng)變測(cè)量傳感器標(biāo)距，m。

靜態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，首先將被校應(yīng)變計(jì)一端固定在機(jī)架上，另一端固定在滑臺(tái)上，然后由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作，并通過(guò)螺母絲杠機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑臺(tái)每次以被測(cè)應(yīng)變計(jì)10%量程做線性位移運(yùn)動(dòng)，共有11個(gè)測(cè)量點(diǎn)。上位機(jī)通過(guò)光柵位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡依次記錄各測(cè)量點(diǎn)的位移值和應(yīng)變計(jì)的輸出電壓值。靜態(tài)靈敏度的計(jì)算采用最小二乘法，按式（2）計(jì)算。

式中：

S—— 應(yīng)變測(cè)量傳感器的靜態(tài)靈敏度，μV/με；

n——檢測(cè)次數(shù)（i=1，2，3，…，n）；

Li——第i點(diǎn)的給定位移值，m；

L0——應(yīng)變測(cè)量傳感器標(biāo)距，m；

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，應(yīng)變計(jì)動(dòng)靜態(tài)測(cè)量裝置分為三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：機(jī)械系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)量裝置的基礎(chǔ)，功能上主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和傳感器安裝。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)被測(cè)應(yīng)變傳感器做直線位移和振動(dòng)位移運(yùn)動(dòng)，傳感器的安裝是滿足不同規(guī)格的應(yīng)變計(jì)安裝且滿足傳感器安裝的技術(shù)要求。

機(jī)械系統(tǒng)主要包括機(jī)架、靜態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（螺母絲杠運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、滑臺(tái)）、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（振動(dòng)臺(tái)）和多功能傳感器安裝機(jī)構(gòu)等。一體化自動(dòng)校準(zhǔn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.3 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)為整個(gè)測(cè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、直線位移測(cè)量系統(tǒng)和應(yīng)變計(jì)輸出采集系統(tǒng)組成。其中，直線位移運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成，直線位移測(cè)量系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和光柵尺組成，應(yīng)變計(jì)輸出采集系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、被測(cè)應(yīng)變計(jì)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(jī)和DMC3600運(yùn)動(dòng)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(jī)通過(guò)DMC3600運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令給CL57D數(shù)字式閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)60CMW22X閉環(huán)伺服電機(jī)傳動(dòng)KK6010P型直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上安裝有被測(cè)應(yīng)變計(jì)的滑塊運(yùn)動(dòng)。同時(shí)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(hào)，NI 6356 數(shù)據(jù)采集卡I/O計(jì)數(shù)器端對(duì)光柵脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并實(shí)時(shí)反饋給PC機(jī)。同時(shí)NI 6356 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端采集被測(cè)應(yīng)變計(jì)的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)應(yīng)變計(jì)靜態(tài)特性參數(shù)的測(cè)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(cè)量范圍：（0～5）mm；

③ 直線位移定位精度：10μm；

④ 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量范圍：（0～2000）?ε（p）；

⑤ 電壓采集系統(tǒng)：16bit；

⑥ 測(cè)量不確定度優(yōu)于1%（=2）。

2.3.2 動(dòng)態(tài)特性硬件系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)特性硬件系統(tǒng)由振動(dòng)位移激勵(lì)系統(tǒng)、振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)和應(yīng)變計(jì)輸出采集系統(tǒng)組成。其中，振動(dòng)位移激勵(lì)系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、功率放大器和標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)組成，振動(dòng)位移測(cè)量系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和電荷放大器組成，應(yīng)變計(jì)輸出采集系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、被測(cè)應(yīng)變計(jì)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(jī)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(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集卡模擬輸出端的正弦信號(hào)（頻率和幅值），通過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)做正弦振動(dòng)。經(jīng)安裝在振動(dòng)臺(tái)中心臺(tái)面上標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組拾取轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)輸出，NI 6356 數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入端同時(shí)采集標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)套組和被測(cè)應(yīng)變計(jì)的輸出電壓，并實(shí)時(shí)反饋給工控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的測(cè)量。動(dòng)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(dòng)頻率：（5～2000）Hz；

③ 動(dòng)態(tài)位移測(cè)量范圍：（0.01～2.00）mm（pp）；

④ 動(dòng)應(yīng)變測(cè)量范圍：（0.1～500）?ε（p）；

⑤ 電壓采集系統(tǒng)：16bit；

⑥ 測(cè)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(cè)量傳感器動(dòng)靜態(tài)測(cè)量裝置的軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能開(kāi)發(fā)的，故軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上主要包括靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性兩個(gè)軟件模塊；功能上主要實(shí)現(xiàn)直線位移運(yùn)動(dòng)控制、振動(dòng)位移運(yùn)動(dòng)控制和被測(cè)應(yīng)變計(jì)輸出采集，同時(shí)能夠?qū)?dòng)靜態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，保存，并能夠生成測(cè)試報(bào)告。上位機(jī)軟件提供已于操作的人機(jī)交互界面，并根據(jù)相應(yīng)操作指令完成應(yīng)變計(jì)動(dòng)靜態(tài)特性自動(dòng)化測(cè)量。靜態(tài)特性軟件模塊主界面如圖5所示，動(dòng)態(tài)特性軟件模塊主界面如圖6所示。

3測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)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(cè)量傳感器進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性參數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，CYB-YB-F1K型的應(yīng)變測(cè)量傳感器的測(cè)量范圍為±1000?ε，標(biāo)稱標(biāo)距為76.2mm。實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)JJG 930-2021《基樁動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》6.3.3 動(dòng)測(cè)儀應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

│En│≤1 則測(cè)量結(jié)果為滿意；

│En│＞1 則測(cè)量結(jié)果為不滿意。

表1是該一體化測(cè)量裝置和中國(guó)計(jì)量院測(cè)量裝置對(duì)CYB-YB-F1K應(yīng)變測(cè)量傳感器的聲場(chǎng)特性參數(shù)測(cè)量結(jié)果。從校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證可知，該裝置對(duì)應(yīng)變測(cè)量傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果（靜、動(dòng)態(tài)靈敏度）滿足對(duì)比驗(yàn)證，可作為應(yīng)變測(cè)量傳感器校準(zhǔn)用測(cè)量裝置，用于開(kāi)展對(duì)應(yīng)變測(cè)量傳感器的校準(zhǔn)[5]。

4結(jié)語(yǔ)

文中主要針對(duì)應(yīng)變計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)量特性參數(shù)測(cè)量進(jìn)行研究，包括應(yīng)變計(jì)動(dòng)靜態(tài)一體化測(cè)量裝置的總體結(jié)構(gòu)及各模塊的具體設(shè)計(jì)，然后對(duì)所設(shè)計(jì)出的測(cè)量裝置進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證，并進(jìn)一步討論分析論證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性，以驗(yàn)證文中所提出的裝置可用于開(kāi)展應(yīng)變計(jì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)計(jì)量特性參數(shù)的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

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