CN104406512B - 一种应变计校准设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应变计校准设备和方法，涉及计算机测控领域，在应变计校准的过程中无需进行人工操作，提高了应变计校准的效率，并且避免了由于人工操作而增加的误差，该应变计校准设备包括：控制器、伺服驱动器、伺服电机、机械传动组件和应变杆；其中，该控制器通过该伺服驱动器与该伺服电机连接，该伺服电机连接该机械传动组件的一端，该机械传动组件的另一端与该应变杆的一端连接，该应变杆的另一端固定连接；该应变杆上设置有待校准应变计，该待校准应变计与电阻构成电桥，该电桥的输出端与该控制器连接，该电桥的另一端与电源连接。本发明实施例用于应变计校准。

Description

一种应变计校准设备和方法

技术领域

本发明涉及计算机测控领域，尤其涉及一种应变计校准设备和方法。

背景技术

应变计是一种应用广泛计量器具，它种类繁多,既可应用于建筑工程的安全问题，也可应用于火箭发动机测试。因此，应变计的校准有着极为重要的意义。

目前进行应变计校准的方法主要有两种：一种方法是采用应变梁，将应变计粘贴在应变梁上，对梁施加载荷产生已知应变值，利用高精度静态应变计测量应变计的应变量，然后根据相应的数据处理规范(如回归分析或最小二乘法)计算出灵敏度系数；另一种方法是，采用精密电桥(或其它高精度的电阻测量仪表)，测出应变计的初始电阻和在载荷作用下的电阻变化量，然后根据相应的数据处理规范(如回归分析或最小二乘法)计算出灵敏度系数。

现有的两种校准方法都是采用人工手动悬挂重物(如砝码)的方式实现载荷的加载，浪费了大量的人力资源，降低了校准的效率，并且由于人工操作而增加了校准的误差。

发明内容

本发明的实施例提供一种应变计校准设备和方法,在应变计校准的过程中无需进行人工操作，提高了应变计校准的效率，并且避免了由于人工操作而增加的误差。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，提供一种应变计校准设备，包括：控制器、伺服驱动器、伺服电机、机械传动组件和应变杆；其中，所述控制器通过所述伺服驱动器与所述伺服电机连接，所述伺服电机连接所述机械传动组件的一端，所述机械传动组件的另一端与所述应变杆的一端连接，所述应变杆的另一端固定连接；所述应变杆上设置有待校准应变计，所述待校准应变计与电阻构成电桥，所述电桥的输出端与所述控制器连接，所述电桥的另一端与电源连接；

所述控制器，用于根据所述伺服电机的步距角、所述机械传动组件的参数和所述应变杆的长度以及预设的标准应变值得到所述伺服电机旋转的脉冲数，并根据所述脉冲数通过伺服驱动器控制所述伺服电机按照所述脉冲数旋转，以便所述伺服电机通过驱动所述机械传动组件，以驱动所述应变杆形变，并在所述应变杆形变后，获取所述电桥的输出电压，根据所述输出电压、所述电源的电压和所述电桥的单个桥臂的电阻值得到所述待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值，并根据所述电阻变化值得到所述待校准应变计的灵敏度系数。

另一方面，提供一种应变计校准的方法，包括：

控制器根据伺服电机的步距角、机械传动组件的参数和应变杆的长度以及预设的标准应变值得到伺服电机旋转的脉冲数；

所述控制器根据所述脉冲数通过伺服驱动器控制所述伺服电机按照所述脉冲数旋转，以便所述伺服电机通过驱动所述机械传动组件，以驱动所述应变杆形变；

在所述应变杆形变后，所述控制器获取所述电桥的输出电压；

所述控制器根据所述输出电压、所述电源的电压和所述电桥的单个桥臂的电阻值得到所述待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值，并根据所述电阻变化值得到所述待校准应变计的灵敏度系数。

采用上述应变计校准设备和方法，应变计校准设备中的控制器根据该伺服电机的步距角、该机械传动组件的参数和该应变杆的长度以及预设的标准应变值得到该伺服电机旋转的脉冲数，并根据该脉冲数通过伺服驱动器控制该伺服电机按照该脉冲数旋转，以便该伺服电机通过旋转该机械传动组件，以驱动该应变杆形变，并在该应变杆形变后，获取该电桥的输出电压，根据该输出电压、该电源的电压和该电桥的单个桥臂的电阻值得到该待校准应变计的电阻变化值，并根据该电阻变化值得到该待校准应变计的灵敏度系数。这样，应变计校准设备在校准过程中无需再采用手工操作，实现了校准过程的自动加载，提高了校准工作效率，同时也避免了人工操作可能带来的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种应变计校准设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电桥的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种应变计校准设备的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种控制器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种应变计校准方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种应变计校准设备，如图1和图2所示，图1为该应变计校准设备的结构示意图，图2为待校准应变计与电阻构成的电桥的结构示意图，该应变计校准设备包括：控制器11、伺服驱动器12、伺服电机13、机械传动组件14和应变杆15。

其中，该控制器11通过该伺服驱动器12与该伺服电机13连接，该伺服电机13连接该机械传动组件14的一端，该机械传动组件14的另一端与该应变杆15的一端连接，该应变杆15的另一端固定连接；该应变杆15上设置有待校准应变计16，该待校准应变计16与电阻17构成电桥，该电桥的输出端与该控制器11连接，该电桥的另一端与电源连接。

其中，该电桥的输出端可以是对应该待校准应变计所在桥臂和其中一电阻所在桥臂的连接端，则另一端与电源连接。

该控制器11，用于根据该伺服电机的步距角、该机械传动组件的参数和该应变杆的长度以及预设的标准应变值得到该伺服电机旋转的脉冲数，并根据该脉冲数通过伺服驱动器控制该伺服电机按照该脉冲数旋转，以便该伺服电机通过驱动该机械传动组件，以驱动该应变杆形变，并在该应变杆形变后，获取该电桥的输出电压，根据该输出电压、该电源的电压和该电桥的单个桥臂的电阻值得到该待校准应变计对应该标准应变值的电阻变化值，并根据该电阻变化值得到该待校准应变计的灵敏度系数。需要说明的是，该应变杆上可以设置多个待校准应变计，每个待校准应变计都与相应的电阻构成电桥，每个电桥的输出端分别通过不同的连接通道与数据采集卡连接，这样，能够同时实现多个待校准应变计的校准，并且控制器可以根据连接通道区分出采集的数据对应的电桥。另外，在得到该标准应变值的电阻变化值后，通过回归分析法或者最小二乘法得到该待校准应变计的灵敏度系数。

在本发明一种可能的实现方式中，如图3所示，该机械传动组件14包括：减速器141、滚珠丝杠142、滚珠丝杠副143和连接器144。

其中，该减速器141与该伺服电机13连接，该滚珠丝杠142的一端与该减速器141连接，该滚珠丝杠142的另一端与该滚珠丝杠副143连接，该滚珠丝杠副143通过连接器144与该应变杆15的一端连接。

具体地，控制器、伺服驱动器和伺服电机之间是通过信号线连接的，伺服电机和减速器之间、减速器和滚珠丝杠之间使用联轴器连接，连接器与滚珠丝杠副之间、连接器和应变杆之间可以通过螺栓连接，应变杆的另一端可以安装在固定支架或壁面上。电桥的输出电压连接到控制器上。

进一步地，如图4所示，该控制器11包括：工控机111、伺服电机驱动卡112和数据采集卡113，其中，该工控机111分别与该伺服电机驱动卡112和该数据采集卡113连接，该数据采集卡113与该电桥连接，该伺服电机驱动卡112与该伺服驱动器12连接；

该工控机111，用于根据该伺服电机的步距角、该机械传动组件的参数和该应变杆的长度以及预设的标准应变值得到该伺服电机旋转的脉冲数；

该伺服电机驱动卡112，用于根据该工控机11得到的脉冲数通过伺服驱动器控制该伺服电机按照该脉冲数旋转，以便该伺服电机通过驱动该机械传动组件，以驱动该应变杆形变；

该数据采集卡113，用于在该伺服电机驱动卡112驱动该应变杆形变后，获取该电桥的输出电压；

该工控机111还用于，根据该数据采集卡113获取的输出电压、该电源的电压和该电桥的单个桥臂的电阻值得到该待校准应变计对应该标准应变值的电阻变化值，并根据该电阻变化值得到该待校准应变计的灵敏度系数。

具体地，该工控机111具体用于，根据该伺服电机的步距角、该减速器的减速比、该滚珠丝杠的导程和该应变杆的长度以及该预设的标准应变值通过公式：

得到该伺服电机旋转的脉冲数。

其中，n_i为该脉冲数，ε_0,i为第i个标准应变值，l为该应变杆的长度，s为该滚珠丝杠的导程，α为该伺服电机的步距角，β为该减速器的减速比，n为该预设的标准应变值的个数，ε_0,0＝0。

需要说明的是，当n_i>0时，表示该伺服电机正向旋转，当该n_i<0时，表示该伺服电机反向旋转。其中，该正向和该反向可以提前设定，例如，将一个旋转方向设定为正向旋转，则另一个旋转方向即为反向旋转。

具体地，工控机根据该脉冲数向伺服驱动器发送控制指令，以使得该伺服驱动器根据该控制指令控制伺服电机的驱动，该伺服电机在伺服驱动器的驱动下完成n_i步旋转，该伺服电机的旋转通过减速器和滚珠丝杠后，使得滚珠丝杠副相对于该滚珠丝杠产生位移，进而使得应变杆产生与该位移对应的形变量，该应变杆的形变使得设置在该应变杆上的待校准应变计发生形变，从而使得该待校准应变计的电阻发生变化，当待校准应变计的电阻发生变化时，该电桥的输出电压也会发生变化。

更进一步地，该工控机111具体用于，根据该输出电压、该电源的电压和该电桥的单个桥臂的电阻值通过公式：

i＝1,2,3……n

得到该待校准应变计对应该标准应变值的电阻变化值。

其中，n为该预设的标准应变值的个数，ΔR_i为该待校准应变计对应第i个标准应变值的电阻变化值，E_c为该电源的电压，u_i为第i个标准应变值对应的输出电压，R₀为该电桥的单个桥臂的电阻值，R为该待校准应变计未受载荷时的电阻值。

可选地，上述电桥的三个桥臂(三个电阻所在桥臂)阻值为120.12欧，电源电压为5.001V；该滚珠丝杠的导程为8mm、直径为32mm；伺服电机为maxon 2023.916-61.521-000型电机；减速器为减速比为10的行星齿轮减速器；应变杆材料为45号钢，长度450mm，宽度5mm，厚度0.6mm；伺服驱动器为NI MID-7652；数据采集卡为NI-6259数据采集卡，伺服电机驱动卡为NI-7342伺服电机驱动卡。

下面以在应变杆上设置4个待校准应变计为例进行说明，该4个待校准应变计与相应的电阻构成电桥，该电桥的输出端与控制器连接。

其中，4片待校准应变计(分别记为应变计1、应变计2、应变计3和应变计4)在未受载荷(即该应变计处于未发生形变的初始状态)时的电阻值分别是120.05欧、120.01欧、120.04欧和119.98欧，预设的标准应变值依次为0με、300με、600με、900με、600με、300με、0με。

则该应变计校准设备根据上述预设的标准应变值驱动该应变杆后，获取到的输出电压如下表：

根据上述输出电压得到对应的待校准应变计的电阻变化值如下表：

根据上述电阻变化值采用回归分析法得到对应的灵敏度系数如下表：

应变计1	应变计2	应变计3	应变计4
				2.123	2.112	2.154	2.128

采用上述应变计校准设备，应变计校准设备在校准过程中无需再采用手工操作，实现了校准过程的自动加载，提高了校准工作效率，同时也避免了人工操作可能带来的误差。

本发明实施例提供一种应变计校准的方法，如图5所示，该方法的执行主体为控制器，其中，该控制器通过该伺服驱动器与该伺服电机连接，该伺服电机连接该机械传动组件的一端，该机械传动组件的另一端与该应变杆的一端连接，该应变杆的另一端固定连接；该应变杆上设置有待校准应变计，该待校准应变计与电阻构成电桥，该电桥的输出端与该控制器连接，该电桥的另一端与电源连接，包括：

S501、控制器根据伺服电机的步距角、机械传动组件的参数和应变杆的长度以及预设的标准应变值得到伺服电机旋转的脉冲数。

进一步地，该机械传动组件包括，减速器、滚珠丝杠、滚珠丝杠副和连接器；其中，该减速器与该伺服电机连接，该滚珠丝杠的一端与该减速器连接，该滚珠丝杠的另一端与该滚珠丝杠副连接，该滚珠丝杠副通过连接器与该应变杆的一端连接。

具体地，控制器根据该伺服电机的步距角、该减速器的减速比、该滚珠丝杠的导程和该应变杆的长度以及该预设的标准应变值通过公式：

得到该伺服电机旋转的脉冲数；

其中，n_i为该脉冲数，ε_0,i为第i个标准应变值，l为该应变杆的长度，s为该滚珠丝杠的导程，α为该伺服电机的步距角，β为该减速器的减速比，n为该预设的标准应变值的个数，ε_0,0＝0。

需要说明的是，当n_i>0时，表示该伺服电机正向旋转，当该n_i<0时，表示该伺服电机反向旋转，其中，该正向和该反向可以提前设定，例如，将一个旋转方向设定为正向旋转，则另一个旋转方向即为反向旋转。

另外，应变杆上可以设置多个待校准应变计，每个待校准应变计都与相应的电阻构成电桥，每个电桥的输出端分别通过不同的连接通道与数据采集卡连接，这样，能够同时实现多个待校准应变计的校准，并且控制器可以根据连接通道区分出采集的数据对应的电桥。

S502、该控制器根据该脉冲数通过伺服驱动器控制该伺服电机按照该脉冲数旋转，以便该伺服电机通过驱动该机械传动组件，以驱动该应变杆形变。

具体地，该控制器工控机、伺服电机驱动卡和数据采集卡，其中，该工控机分别与该伺服电机驱动卡和该数据采集卡连接，该数据采集卡与该电桥连接，该伺服电机驱动卡与该伺服驱动器连接，这样，工控机根据该脉冲数向伺服驱动器发送控制指令，以使得该伺服驱动器根据该控制指令控制伺服电机的驱动，该伺服电机在伺服驱动器的驱动下完成n_i步旋转，该伺服电机的旋转通过减速器和滚珠丝杠后，使得滚珠丝杠副相对于该滚珠丝杠产生位移，进而使得应变杆产生与该位移对应的形变量，该应变杆的形变使得设置在该应变杆上的待校准应变计发生形变，从而使得该待校准应变计的电阻发生变化，当待校准应变计的电阻发生变化时，该电桥的输出电压也会发生变化。

S503、在该应变杆形变后，该控制器获取该电桥的输出电压。

S504、该控制器根据该输出电压、该电源的电压和该电桥的单个桥臂的电阻值得到该待校准应变计对应该标准应变值的电阻变化值，并根据该电阻变化值得到该待校准应变计的灵敏度系数。

具体地，控制器根据该输出电压、该电源的电压和该电桥的单个桥臂的电阻值得到该待校准应变计的电阻变化值通过公式：

i＝1,2,3……n

得到该待校准应变计对应该标准应变值的电阻变化值。

其中，n为该预设的标准应变值的个数，ΔR_i为该待校准应变计对应第i个标准应变值的电阻变化值，E_c为该电源的电压，u_i为第i个待校准应变计对应电桥的输出电压，R₀为该电桥的单个桥臂的电阻值，R为该待校准应变计未受载荷时的电阻值。

通过采用上述方法，应变计校准设备在校准过程中无需再采用手工操作，实现了校准过程的自动加载，提高了校准工作效率，同时也避免了人工操作可能带来的误差。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种应变计校准设备，其特征在于，包括：控制器、伺服驱动器、伺服电机、机械传动组件和应变杆；其中，所述控制器通过所述伺服驱动器与所述伺服电机连接，所述伺服电机连接所述机械传动组件的一端，所述机械传动组件的另一端与所述应变杆的一端连接，所述应变杆的另一端固定连接；所述应变杆上设置有待校准应变计，所述待校准应变计与电阻构成电桥，所述电桥的输出端与所述控制器连接，所述电桥的另一端与电源连接；

所述机械传动组件包括：减速器、滚珠丝杠、滚珠丝杠副和连接器；其中，所述减速器与所述伺服电机连接，所述滚珠丝杠的一端与所述减速器连接，所述滚珠丝杠的另一端与所述滚珠丝杠副连接，所述滚珠丝杠副通过连接器与所述应变杆的一端连接；

所述控制器包括：工控机、伺服电机驱动卡和数据采集卡，其中，所述工控机分别与所述伺服电机驱动卡和所述数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述电桥连接，所述伺服电机驱动卡与所述伺服驱动器连接；

所述工控机，用于根据所述伺服电机的步距角、所述机械传动组件的参数和所述应变杆的长度以及预设的标准应变值得到所述伺服电机旋转的脉冲数；

所述伺服电机驱动卡，用于根据所述工控机得到的脉冲数通过伺服驱动器控制所述伺服电机按照所述脉冲数旋转，以便所述伺服电机通过驱动所述机械传动组件，以驱动所述应变杆形变；

所述数据采集卡，用于在所述伺服电机驱动卡驱动所述应变杆形变后，获取所述电桥的输出电压；

所述工控机还用于，根据所述数据采集卡获取的输出电压、所述电源的电压和所述电桥的单个桥臂的电阻值得到所述待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值，并根据所述电阻变化值得到所述待校准应变计的灵敏度系数；

所述工控机具体根据所述伺服电机的步距角、所述减速器的减速比、所述滚珠丝杠的导程和所述应变杆的长度以及所述预设的标准应变值通过公式：

$n_i=\frac{360({\mathrm{\&epsiv;}}_{0,i}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{0,i-1})l\mathrm{\&beta;}}{s\mathrm{\&alpha;}},i=1,2,3......n$

得到所述伺服电机旋转的脉冲数；

其中，n_i为所述脉冲数，ε_0,i为第i个标准应变值，l为所述应变杆的长度，s为所述滚珠丝杠的导程，α为所述伺服电机的步距角，β为所述减速器的减速比，n为所述预设的标准应变值的个数，ε_0,0＝0。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述工控机具体用于，根据所述输出电压、所述电源的电压和所述电桥的单个桥臂的电阻值通过公式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;R}}_i=\frac{E_c\left(R_0-R\right)-2u_i\left(R+R_0\right)}{2u_i+E_c}\\ i=1,2,3......n\end{array}$

得到所述待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值；其中，n为所述预设的标准应变值的个数，ΔR_i为所述待校准应变计对应第i个标准应变值的电阻变化值，E_c为所述电源的电压，u_i为第i个待校准应变计对应电桥的输出电压，R₀为所述电桥的单个桥臂的电阻值，R为所述待校准应变计未受载荷时的电阻值。

3.一种应变计校准的方法，其特征在于，包括：

控制器根据伺服电机的步距角、机械传动组件的参数和应变杆的长度以及预设的标准应变值得到伺服电机旋转的脉冲数；

所述控制器根据所述脉冲数通过伺服驱动器控制所述伺服电机按照所述脉冲数旋转，以便所述伺服电机通过驱动所述机械传动组件，以驱动所述应变杆形变；

在所述应变杆形变后，所述控制器获取电桥的输出电压；

所述控制器根据所述输出电压、电源的电压和电桥的单个桥臂的电阻值得到待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值，并根据所述电阻变化值得到所述待校准应变计的灵敏度系数；

所述机械传动组件包括，减速器、滚珠丝杠、滚珠丝杠副和连接器；其中，所述减速器与所述伺服电机连接，所述滚珠丝杠的一端与所述减速器连接，所述滚珠丝杠的另一端与所述滚珠丝杠副连接，所述滚珠丝杠副通过连接器与所述应变杆的一端连接；

所述根据所述伺服电机的步距角、所述机械传动组件的参数和所述应变杆的长度以及预设的标准应变值得到所述伺服电机旋转的脉冲数包括：

根据所述伺服电机的步距角、所述减速器的减速比、所述滚珠丝杠的导程和所述应变杆的长度以及所述预设的标准应变值通过公式：

$n_i=\frac{360({\mathrm{\&epsiv;}}_{0,i}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{0,i-1})l\mathrm{\&beta;}}{s\mathrm{\&alpha;}},i=1,2,3......n$

得到所述伺服电机旋转的脉冲数；

其中，n_i为所述脉冲数，ε_0,i为第i个标准应变值，l为所述应变杆的长度，s为所述滚珠丝杠的导程，α为所述伺服电机的步距角，β为所述减速器的减速比，n为所述预设的标准应变值的个数，ε_0,0＝0。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器根据所述输出电压、所述电源的电压和所述电桥的单个桥臂的电阻值得到所述待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值包括：

根据所述输出电压、所述电源的电压和所述电桥的单个桥臂的电阻值得到所述待校准应变计的电阻变化值通过公式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;R}}_i=\frac{E_c\left(R_0-R\right)-2u_i\left(R+R_0\right)}{2u_i+E_c}\\ i=1,2,3......n\end{array}$

得到所述待校准应变计对应所述标准应变值的电阻变化值；其中，n为所述预设的标准应变值的个数，ΔR_i为所述待校准应变计对应第i个标准应变值的电阻变化值，E_c为所述电源的电压，u_i为第i个待校准应变计对应电桥的输出电压，R₀为所述电桥的单个桥臂的电阻值，R为所述待校准应变计未受载荷时的电阻值。