CN108007334A - 一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置，属于应变电测量计量测试技术领域。内容包括：针对阶跃响应时间远小于采样间隔的电阻应变仪动态特性的计量校准，即在一个采样间隔时间内已结束了其阶跃响应过程的情况，通过使用稳定可靠的高速电子开关按照约定规律控制产生周期性的电阻阶跃波形，产生模拟阶跃应变激励，对采样序列按照预定的规律进行数据排序处理，最终生成具有比实时采样速率高得多的等效采样序列，以等效采样方式在低采样率情况下实现高速采样，避免在阶跃响应上升沿上采样点过少而无法获得阶跃响应特性的问题，从而获得有效的阶跃响应特性曲线，结合动态校准理论和方法，最终实现电阻应变仪动态特性的计量校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置，属于应变电测量计量测试技术领域。
背景技术
应变是指固体及结构承受力、力矩、压力等载荷产生的变形行为，以及温度等环境变化产生的热胀冷缩的变形行为。在常温应变测量中，这种变形又特指弹性形变，即形变程度与载荷的变化呈单调对应关系，当载荷消失后，形变即消失。而应变量是定量衡量这类应变大小的一种物理量值。
对于应变测量，人们有各种不同的原理和方法，从经典的电阻式应变测量、电容式应变测量、电感式应变测量、磁致伸缩式应变测量，到半导体式应变测量、悬丝式应变测量、激光干涉式应变测量、光纤光栅式应变测量等等，有众多原理与方法，而其中应用最广泛、影响最大的依然是电阻式应变测量。
应变测量原理可以直接设计成各种不同的传感器，用以测量力、力矩、压力等物理量，而直接应用，则多数涉及各种材料的应变特性试验，如材料的弹性形变范围，塑性变形阈值确定，材料的弹性系数、泊松比等等参数的测量与确定，均要使用应变测量方式进行。
尽管强度试验在实际工作过程中的作用如此重要，其计量校准问题却一直没能彻底解决，主要是存在“静标动用”问题。多年以来，一直进行计量溯源的仅是其静态特性指标，而它们的载荷谱加载特性及其应用，显然是一个典型的动态问题，因此应进行动态特性的计量校准。
目前，在线形测量系统动态特性校准中，人们普遍使用特征参量可以溯源的动态激励源进行，如单频率的正弦波，有丰富而确定频谱规则的阶跃波形、冲击波形等。一直以来，由于测量准确度等因素，电阻应变一直使用电阻进行模拟校准，而稳定的电阻随时间变化的特性很难在工程上实现，其中，阶跃电阻激励方式原本可以用来激励其动态特性，但由于电阻应变仪的采样间隔通常比较大，以至于远大于应变仪的阶跃响应时间，使得直接测量中无法获得阶跃响应特性，导致电阻应变仪的动态特性评价一直没有有效进行。目前电阻应变仪的动态特性校准，仅仅停留在使用模拟电压激励对其电压测量频带进行测量的粗放状态下，其余动态特性指标均未能有效进行计量溯源。
由此，人们需要寻找出电阻应变仪动态特性的计量校准方法，对其动态特性进行计量校准，结束其“静标动用”的技术状态。以提高电阻应变仪计量校准能力和水平。
发明内容
本发明针对阶跃响应时间远小于采样间隔的电阻应变仪动态特性的计量校准，即在一个采样间隔的时间内，已经结束了其阶跃响应过程的情况，提出一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置，通过软件构造式的等效采样方法，使用稳定可靠的高速电子开关按照约定规律控制产生周期性的电阻阶跃波形，产生模拟阶跃应变激励，对采样序列按照预定的规律进行数据排序处理，最终生成具有比实时采样速率高得多的等效采样序列，以等效采样方式在低采样速率情况下实现等效高速采样，避免了在其阶跃响应的上升沿上采样点过少而无法获得阶跃响应特性的问题，从而获得有效的阶跃响应特性曲线，结合动态校准理论和方法，可以最终实现电阻应变仪动态特性的计量校准。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置包括一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量装置；
其中，一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，简称测量方法；一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量装置，简称测量装置；
测量装置包括：
桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3、桥臂电阻4、桥臂并联电阻5、高速电子开关6、方波信号发生器7和应变采集系统8；
其中，桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3、桥臂电阻4，阻值分别为R1、R2、R3、R4，构成应变测量电桥；桥臂并联电阻5，阻值为Rx，用于变化应变测量电桥的桥臂电阻；高速电子开关6，在应变测量电桥臂上产生阶跃电阻激励信号；方波信号发生器7，用于控制高速电子开关6的通断；应变采集系统8，用于测量应变测量电桥臂上由阶跃电阻信号产生的模拟阶跃应变；
该测量装置的工作过程为：通过使用方波信号发生器7产生方波信号控制高速电子开关6的通断，在桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4构成的应变测量电桥的桥臂电阻中产生方波电阻模拟应变，使用等效采样方法从该方波模拟应变中截取阶跃模拟应变，获得应变数据采集系统的阶跃响应波形；
该测量装置中各部分的连接关系如下：
桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4通过1-2-4-3-1的环式连接构成应变电桥的基本电路，桥臂并联电阻5通过电子开关6与桥臂电阻4相并联；当电子开关6闭合时，桥臂并联电阻5与桥臂电阻4相并联，从而改变了桥臂电阻4所在桥臂的阻值；当电子开关6断开时，桥臂并联电阻5没有接通，从而未与桥臂电阻4相并联；方波信号发生器7，用于控制高速电子开关6的通断，以桥臂并联电阻5的接入和断开方式改变电桥的桥臂电阻；应变采集系统8，通过其应变电桥接线端A、B、C、D与应变测量桥路相连接；A、B两端接入应变采集系统8提供的供桥电压，C、D两端为应变采集系统8的应变测量端；
测量装置中各部分的功能如下：
桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4连接构成应变测量电桥，桥臂并联电阻5通过和桥臂电阻4的并联与否改变该应变测量电桥的桥臂电阻；电子开关6的通断改变桥臂电阻4与桥臂并联电阻5的并联状态，从而使桥臂电阻产生阶跃；方波信号发生器7用于控制高速电子开关6的通断；应变采集系统8，用于测量应变测量电桥中阶跃电阻信号产生的模拟阶跃应变。
测量方法的步骤如下：
步骤一、参数选取，其中，选取的参数包括桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3、桥臂电阻4以及桥臂并联电阻5的电阻值；
具体为：
步骤1.1选择桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4，四者阻值分别为R1、R2、R3、R4，四个桥臂电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R；
步骤1.2按照被校量程需要产生的应变量值ε选取桥臂并联电阻5的电阻值Rx以控制所设置的应变在被校准应变采集系统的幅度量程范围内；
R4并联Rx后桥臂C、B的电阻为：
ΔR4＝R4-R'4 (2)
A、B两端接入供桥电压E，在C、D两端进行测量获得电压e0，则由桥臂电阻R4并联Rx后的变化产生的应变ε为：
其中，Ks称为应变率，是显示应变片灵敏度的常数，通常的应变用合金的应变灵敏系数大约范围为1.9～3.6；一般应变片用铜镍合金和镍铬合金的应变灵敏系数大约为2，范围为1.9～2.1；
步骤二、系统设置，具体包括如下步骤：
步骤2.1应变采集系统设置：设置被校准的应变采集系统8的通道量程、通道采样时间间隔Ts以及每通道采样数据个数N；N≥n×m；
步骤2.2方波信号源设置：使用方波信号源7产生周期为Tg＝m×Ts+T的方波信号控制高速电子开关6的通断，，使得端子C、B间的桥臂电阻在电阻4和电阻4与电阻5的并联之间周期性跳变，产生阶跃电阻ΔR4＝R4-R'4；进而产生式(3)所述幅度的阶跃应变；
其中，T<<Ts，m为正整数；
步骤三、启动采集测量：启动应变采集系统8获得应变采样序列x1,1,x1,2,…,x1,m,x2,1,x2,2,…,x2,m,…,xn,1,xn,2,…，n≥1000，1≤m≤n；
步骤四、数据处理：将步骤三获得的应变采样序列每m个采样点取1个数据保留，构成等间隔筛选序列xi(i＝1，…，n)；则该序列即为等效采样时间间隔为T的应变等效采样序列，通过微调Tg可以产生任意等效采样间隔T的采样序列；通过选取采样序列长度n使得nT>Tg，获得被校准的应变数据采集系统8的等效采样间隔为T的应变阶跃响应序列，获得其阶跃应变响应曲线；对该阶跃响应曲线进行时域分析，获得阶跃响应上升时间等动态特性；
至此，从步骤一到步骤四，完成了一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法。
有益效果
本发明一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本发明实现了电阻应变仪动态特性的计量校准，结束了应变测量系统中一直存在的“静标动用”问题；
2.本发明装置及方法具有结构简捷、容易实现的特点；
3.本发明通过仔细构造整数个被校准应变采集系统的采样间隔与激励方波信号周期之间的细微差异，以及舍去中间点的方式，获得等效采样间隔T可以任意小的采样序列，从而可以获得阶跃响应过渡过程远小于实时采样间隔Ts的应变采集系统的动态响应特性；
4.本发明为采样率较低且不能任意可调的应变采集系统动态特性校准提供了解决途径，对于硬件系统没有任何额外要求，可适用于任意硬件采样系统；且和硬件解决途径相比，本发明所述方法拥有更为广泛的应用前景；
5.当m＝1时，本发明方法简化为拍频方法，按照上述过程获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为Ts的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。
附图说明
图1为本发明一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量装置的方案结构示意图；
其中，1、2、3、4分别对应桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4，阻值分别为R1、R2、R3和R4，构成应变测量桥路模拟电路；5为桥臂并联电阻Rx；四个桥臂电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R；6为高速电子开关，用于变化桥臂电阻，产生阶跃电阻激励信号；7为方波信号发生器，用于控制高速电子开关6的通断；8为应变采集系统，用于测量应变测量桥路产生的模拟阶跃应变。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
特别是，当m＝1时，本发明方法简化为拍频方法，按照上述过程获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为Ts的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。
一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置，如图1所示，1、2、3、4分别为桥臂电阻R1、R2、R3、R4，构成应变测量桥路模拟电路。5为桥臂并联电阻Rx。四个桥臂电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R。6为高速电子开关，用于变化桥臂电阻，产生阶跃电阻激励信号；7为方波信号发生器，用于控制高速电子开关6的通断；8为应变采集系统，用于测量应变测量桥路产生的模拟阶跃应变。
通过使用方波信号发生器7产生方波信号控制高速电子开关6的通断，在桥臂电阻1、2、3、4构成的应变测量桥路模拟电路中产生方波模拟应变，使用等效采样方法从该方波模拟应变中截取阶跃模拟应变，获得应变数据采集系统的阶跃响应波形。
具体过程如下：
1)如图1所示连线，1、2、3、4分别为桥臂电阻R1、R2、R3、R4，5为电阻Rx。四个桥臂电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R＝120Ω，按照被校量程选取5的电阻Rx阻值，以控制所设置的应变在量程范围内。R4并联Rx后桥臂CB的电阻为：
ΔR4＝R4-R'4 (2)
AB两端接入供桥电压E，在CD两端进行测量获得电压e0，则由桥臂电阻R4并联Rx后的变化产生的应变ε为：
其中，Ks称为应变率，是显示应变片灵敏度的常数，一般应变片用铜镍合金和镍铬合金的应变灵敏系数大约为2。
2)设置被校准的应变数据采集系统8的通道量程、通道采样时间间隔Ts，每通道采样数据个数N。
3)使用方波信号源7产生周期为Tg＝m×Ts+T的方波信号控制高速电子开关6的通断，(T<<Ts，m为正整数)，使得CB间的桥臂电阻在电阻4和电阻4与电阻5的并联之间周期性跳变，产生阶跃电阻ΔR4＝R4-R'4。进而产生式(3)所述幅度的阶跃应变。
4)启动应变数据采集系统8获得应变采样序列x1,1,x1,2,…,x1,m,x2,1,x2,2,…,x2,m,…,xn,1,xn,2,…，将应变采样序列每m个采样点取1个数据保留，构成等间隔筛选序列xi(i＝1，…，n)。则该序列即为等效采样时间间隔为T的应变等效采样序列，通过微调Tg可以产生任意等效采样间隔T的采样序列。
5)通过选取采样序列长度n使得nT>Tg，获得被校准的应变数据采集系统8的等效采样间隔为T的应变阶跃响应序列，获得其阶跃应变响应曲线。对该阶跃响应曲线进行时域分析，获得阶跃响应上升时间等动态特性。
特例，当m＝1时，本发明方法简化为拍频方法，按照上述过程获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为Ts的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量装置，其特征在于：包括桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3、桥臂电阻4、桥臂并联电阻5、高速电子开关6、方波信号发生器7和应变采集系统8；
其中，桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3、桥臂电阻4，阻值分别为R1、R2、R3、R4，构成应变测量电桥；桥臂并联电阻5，阻值为Rx，用于变化应变测量电桥的桥臂电阻；高速电子开关6，在应变测量电桥臂上产生阶跃电阻激励信号；方波信号发生器7，用于控制高速电子开关6的通断；应变采集系统8，用于测量应变测量电桥臂上由阶跃电阻信号产生的模拟阶跃应变；
该测量装置中各部分的连接关系如下：
桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4通过1-2-4-3-1的环式连接构成应变电桥的基本电路，桥臂并联电阻5通过电子开关6与桥臂电阻4相并联；当电子开关6闭合时，桥臂并联电阻5与桥臂电阻4相并联，从而改变了桥臂电阻4所在桥臂的阻值；当电子开关6断开时，桥臂并联电阻5没有接通，从而未与桥臂电阻4相并联；方波信号发生器7，用于控制高速电子开关6的通断，以桥臂并联电阻5的接入和断开方式改变电桥的桥臂电阻；应变采集系统8，通过其应变电桥接线端A、B、C、D与应变测量桥路相连接；A、B两端接入应变采集系统8提供的供桥电压，C、D两端为应变采集系统8的应变测量端。
2.根据权利要求1所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量装置，其特征在于：该测量装置的工作过程为：通过使用方波信号发生器7产生方波信号控制高速电子开关6的通断，在桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4构成的应变测量电桥的桥臂电阻中产生方波电阻模拟应变，使用等效采样方法从该方波模拟应变中截取阶跃模拟应变，获得应变数据采集系统的阶跃响应波形；
该测量装置中各部分的功能如下：
桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4连接构成应变测量电桥，桥臂并联电阻5通过和桥臂电阻4的并联与否改变该应变测量电桥的桥臂电阻；电子开关6的通断改变桥臂电阻4与桥臂并联电阻5的并联状态，从而使桥臂电阻产生阶跃；方波信号发生器7用于控制高速电子开关6的通断；应变采集系统8，用于测量应变测量电桥中阶跃电阻信号产生的模拟阶跃应变。
3.一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一、参数选取，其中，选取的参数包括桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3、桥臂电阻4以及桥臂并联电阻5的电阻值；
步骤二、系统设置，具体包括应变采集系统设置和方波信号源设置：
步骤三、启动采集测量；
步骤四、数据处理，获得阶跃响应上升时间等动态特性；
至此，从步骤一到步骤四，完成了一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法。
4.根据权利要求3所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，其特征在于：步骤一、具体为：
步骤1.1选择桥臂电阻1、桥臂电阻2、桥臂电阻3和桥臂电阻4，四者阻值分别为R1、R2、R3、R4，四个桥臂电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R；
步骤1.2按照被校量程需要产生的应变量值ε选取桥臂并联电阻5的电阻值Rx以控制所设置的应变在被校准应变采集系统的幅度量程范围内；
R4并联Rx后桥臂C、B的电阻为：
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ΔR4＝R4-R'4 (2)
A、B两端接入供桥电压E，在C、D两端进行测量获得电压e0，
则由桥臂电阻R4并联Rx后的变化产生的应变ε为：
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其中，Ks称为应变率，是显示应变片灵敏度的常数，通常的应变用合金的应变灵敏系数大约范围为1.9～3.6；一般应变片用铜镍合金和镍铬合金的应变灵敏系数大约为2，范围为1.9～2.1。
5.根据权利要求3所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，其特征在于：步骤二的应变采集系统设置，具体为：设置被校准的应变采集系统8的通道量程、通道采样时间间隔Ts，每通道采样数据个数N；N≥n×m。
6.根据权利要求3所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，其特征在于：步骤二的方波信号源设置，具体为：使用方波信号源7产生周期为Tg＝m×Ts+T的方波信号控制高速电子开关6的通断，(T<<Ts，m为正整数)，使得端子C、B间的桥臂电阻在电阻4和电阻4与电阻5的并联之间周期性跳变，产生阶跃电阻ΔR4＝R4-R'4。进而产生式(3)所述幅度的阶跃应变。
7.根据权利要求3所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，其特征在于：步骤三的启动采集测量，具体为：启动应变采集系统8获得应变采样序列x1,1,x1,2,…,x1,m,x2,1,x2,2,…,x2,m,…,xn,1,xn,2,…，n≥1000，1≤m≤n。
8.根据权利要求3所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法，其特征在于：步骤四的数据处理，具体为：将应变采样序列每m个采样点取1个数据保留，构成等间隔筛选序列xi(i＝1，…，n)。则该序列即为等效采样时间间隔为T的应变等效采样序列，通过微调Tg可以产生任意等效采样间隔T的采样序列；通过选取采样序列长度n使得nT>Tg，获得被校准的应变数据采集系统8的等效采样间隔为T的应变阶跃响应序列，获得其阶跃应变响应曲线；对该阶跃响应曲线进行时域分析，获得阶跃响应上升时间等动态特性。
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