CN108398099B - 一种单点激光应变标定误差的修正方法 - Google Patents

一种单点激光应变标定误差的修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于应变量计量测试技术领域，涉及一种单点激光应变标定误差的修正方法。其特征在于，应变标定误差的修正步骤是：激振；测量；计算A点的实际位移值序列di；计算C点的应变波形序列εci(x)；曲线拟合。本发明提出了一种单点激光应变标定误差的修正方法，能够修正测量点C的定标误差，提高了被测应变片的赋值精度，保证了其测量结果的准确性。

Description

一种单点激光应变标定误差的修正方法
技术领域
本发明属于应变量计量测试技术领域，涉及一种单点激光测应变标定误差的修正方法。
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、光纤光栅式应变测量等等，有众多原理与方法。
激光干涉应变测量是一种性能优良的非接触式测量方式，其优点是对被测物体没有硬接触，不会对被测量值产生额外影响，在高温、不宜粘贴应变片等场合与条件下尤其具有其它方式没有的技术优势，因而获得了较多应用。特别是用激光干涉测振方法给应变梁产生的应变进行赋值，更有其它方式无法替代的优点，例如可以将贴应变片的测量点与激光干涉测量点物理分离，而避免它们之间的互相妨碍。应变量表面的温度变化对于激光干涉法的应变测量没有任何影响，适合于各种温度、压力等环境条件下的应变量值测量和量值标定。
目前的应变梁式激振测量系统参见图1，应变梁式激振测量系统包括应变梁1、激光测量装置2和激振装置3；激光测量装置2输出的激光束的轴线与应变梁1轴线的交点为A点，应变梁1轴线的悬臂端点为B点，被测应变片4贴在应变梁1上，过被测应变片4中心的轴线与应变梁1轴线的交点为C点，应变梁1轴线的约束端点为O点；被测应变片4的信号连接端与应变测量仪5相应的连接端连接。其缺点是：测量点C存在定标误差，将导致对粘贴在C点的被测应变片的赋值不准，影响其测量校准结果。
发明内容
本发明的目的是：提出一种单点激光应变标定误差的修正方法，以便修正测量点C的定标误差，提高被测应变片的赋值精度，保证其测量结果的准确性。
本发明的技术方案是：一种单点激光应变标定误差的修正方法，修正应变梁式激振测量系统中测量点C的定标误差，应变梁式激振测量系统包括应变梁1、激光测量装置2和激振装置3；激光测量装置2输出的激光束的轴线与应变梁1轴线的交点为A点，应变梁1轴线的悬臂端点为B点，被测应变片4贴在应变梁1上，过被测应变片4中心的轴线与应变梁1轴线的交点为C点，应变梁1轴线的约束端点为O点；被测应变片4的信号连接端与应变测量仪5相应的连接端连接；其特征在于，应变标定误差的修正步骤是：
1、激振：由激振装置3驱动应变梁1产生周期性正弦振动，从而使应变梁1上的A点产生正弦位移，在C点产生正弦应变ε(t)；定义A点振动幅度为d，振动频率为Ω；O点与A点之间的距离OA＝l；
2、测量：由激光测量装置2测量点A的瞬时速度v(t),获得A点处的振动速度波形测量序列
Figure BDA0001462895930000021
t＝1,2,……，M；则，A点的正弦振动位移S(t)为：
Figure BDA0001462895930000022
3、计算A点的实际位移值序列di：对振动速度序列
Figure BDA0001462895930000023
进行积分运算，使用正弦波拟合或整数周期序列平均值方法剔除直流分量后，获得正弦位移值波形序列
Figure BDA0001462895930000024
即为A点处的振动位移值序列；而A点的实际位移值序列di＝d1，d2，……，dM为：
Figure BDA0001462895930000025
4、计算C点的应变波形序列εci(x)：对于应变梁1上任意一个固定点C，设定C距离点O的距离OC＝x，C点处的应变瞬时值εci(x)为：
Figure BDA0001462895930000026
式中，h为应变梁厚度；
5、曲线拟合：对C点处的应变瞬时值εci(x)进行正弦波曲线拟合，获得应变峰值εcpeak和频率Ω，从而完成对单点激光应变标定误差的修正。
本发明的优点是：提出了一种单点激光应变标定误差的修正方法，能够修正测量点C的定标误差，提高了被测应变片的赋值精度，保证了其测量结果的准确性。
附图说明
图1是目前的一种应变梁式激振测量系统的结构原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图1，一种单点激光应变标定误差的修正方法，修正应变梁式激振测量系统中测量点C的定标误差，应变梁式激振测量系统包括应变梁1、激光测量装置2和激振装置3；激光测量装置2输出的激光束的轴线与应变梁1轴线的交点为A点，应变梁1轴线的悬臂端点为B点，被测应变片4贴在应变梁1上，过被测应变片4中心的轴线与应变梁1轴线的交点为C点，应变梁1轴线的约束端点为O点；被测应变片4的信号连接端与应变测量仪5相应的连接端连接；其特征在于，应变标定误差的修正步骤是：
1、激振：由激振装置(3)驱动应变梁(1)产生周期性正弦振动，从而使应变梁(1)上的A点产生正弦位移，在C点产生正弦应变ε(t)；定义A点振动幅度为d，振动频率为Ω；O点与A点之间的距离OA＝l；
2、测量：由激光测量装置(2)测量点A的瞬时速度v(t),获得A点处的振动速度波形测量序列
Figure BDA0001462895930000031
t＝1,2,……，M；则，A点的正弦振动位移S(t)为：
Figure BDA0001462895930000032
3、计算A点的实际位移值序列di：对振动速度序列
Figure BDA0001462895930000033
进行积分运算，使用正弦波拟合或整数周期序列平均值方法剔除直流分量后，获得正弦位移值波形序列
Figure BDA0001462895930000034
即为A点处的振动位移值序列；而A点的实际位移值序列di＝d1，d2，……，dM为：
Figure BDA0001462895930000035
4、计算C点的应变波形序列εci(x)：对于应变梁(1)上任意一个固定点C，设定C距离点O的距离OC＝x，C点处的应变瞬时值εci(x)为：
Figure BDA0001462895930000036
式中，h为应变梁厚度；
5、曲线拟合：对C点处的应变瞬时值εci(x)进行正弦波曲线拟合，获得应变峰值εcpeak和频率Ω，从而完成对单点激光应变标定误差的修正。
本发明的工作原理是：如图1所示的应变量1，其上点A在激振装置3的激励下作弧线运动，而激光测量装置2在此过程中测量获得的位移，是直线位移
Figure BDA0001462895930000037
与点A的实际位移di存在差异，若用激光测量装置2测量获得的直线位移值
Figure BDA0001462895930000038
代替点A的曲线位移值di，需要用进行补偿修正，本发明使用公式[2]进行补偿修正，获得最后的A点位移值di，进而使用公式[3]获得应变梁1上的C点处的应变瞬时值εci(x)，最后，对C点处的应变瞬时值εci(x)进行正弦波曲线拟合，获得C点处的应变峰值εcpeak和频率Ω，从而完成对C点处单点激光应变标定误差的修正。
实施例
如图1所示，一种单点激光应变标定误差的修正方法，可用于修正应变梁式激振测量系统中测量点C的定标误差。其中，应变梁式激振测量系统包括应变梁1、激光测量装置2和激振装置3；激光测量装置2输出的激光束的轴线与应变梁1轴线的交点为A点，应变梁1轴线的悬臂端点为B点，被测应变片4贴在应变梁1上，过被测应变片4中心的轴线与应变梁1轴线的交点为C点，应变梁1轴线的约束端点为O点；被测应变片4的信号连接端与应变测量仪5相应的连接端连接。其中：应变梁1的材料为不锈钢，几何尺寸为：长×宽×厚＝350mm×15mm×5mm。激光测量装置2为激光测速仪，激振装置3为带信号源、控制器和功率放大器的振动激励系统。
应变标定误差的修正步骤是：
1、激振：由激振装置(3)驱动应变梁(1)产生周期性正弦振动，振动频率为10Hz，振幅为10cm，从而使应变梁(1)上的A点产生正弦位移，在C点产生正弦应变ε(t)；定义A点振动幅度为d＝1.8cm，振动频率为Ω＝10Hz；O点与A点之间的距离OA＝l＝300mm；
2、测量：由激光测量装置(2)测量点A的瞬时速度v(t),获得A点处的振动速度波形测量序列
Figure BDA0001462895930000041
t＝1,2,……，M；拟合得该速度曲线峰值为1.2566m/s。
则，A点的正弦振动位移S(t)为：
Figure BDA0001462895930000042
3、计算A点的实际位移值序列di：对振动速度序列
Figure BDA0001462895930000043
进行积分运算，使用正弦波拟合或整数周期序列平均值方法剔除直流分量后，获得正弦位移值波形序列
Figure BDA0001462895930000044
即为A点处的振动位移值序列；拟合得该位移曲线峰值为2.0cm。
而A点的实际位移值序列di＝d1，d2，……，dM为：
Figure BDA0001462895930000045
拟合得修正后的位移曲线峰值为1.735cm。
4、计算C点的应变波形序列εci(x)：对于应变梁(1)上任意一个固定点C，设定C距离点O的距离OC＝x＝10cm，C点处的应变瞬时值εci(x)为：
Figure BDA0001462895930000051
h＝5mm为应变梁厚度。
5、曲线拟合：对C点处的应变瞬时值εci(x)进行正弦波曲线拟合，获得应变峰值εcpeak＝964με和频率Ω＝10.00Hz，从而完成对单点激光应变标定误差的修正。
本发明方法具有操作简捷、物理意义明确、工程上容易实现的特点。针对激光测量光路为直线，而应变梁振动导致的梁上任意点的运动轨迹均为曲线，使得实际的直接位移坐标值与激光测量位移值之间产生误差，进而影响应变量值的赋值问题，进行了公式修正，从而获得更为接近真实点应变的更为精确的标准值。在上述示例中，若不进行修正，位移误差将达到15％，修正补偿后，可以获得更为精确的位移值，误差可降到1％以下。
本发明所述方法，可以用于激光测振法对应变片、应变仪、应变采集系统的动态特性进行计量校准。在应变量计量校准中将有广泛的应用前景。
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 (1)

1.一种单点激光应变标定误差的修正方法，修正应变梁式激振测量系统中测量点C的定标误差，应变梁式激振测量系统包括应变梁(1)、激光测量装置(2)和激振装置(3)；激光测量装置(2)输出的激光束的轴线与应变梁(1)轴线的交点为A点，应变梁(1)轴线的悬臂端点为B点，被测应变片(4)贴在应变梁(1)上，过被测应变片(4)中心的轴线与应变梁(1)轴线的交点为C点，应变梁(1)轴线的约束端点为O点；被测应变片(4)的信号连接端与应变测量仪(5)相应的连接端连接；其特征在于，应变标定误差的修正步骤是：
1.1、激振：由激振装置(3)驱动应变梁(1)产生周期性正弦振动，从而使应变梁(1)上的A点产生正弦位移，在C点产生正弦应变ε(t)；定义A点振动幅度为d，振动频率为Ω；O点与A点之间的距离OA＝l；
1.2、测量：由激光测量装置(2)测量点A的瞬时速度v(t),获得A点处的振动速度波形测量序列
Figure FDA0002172910360000011
t＝1,2,……，M，则，A点的正弦振动位移S(t)为：
Figure FDA0002172910360000012
1.3、计算A点的实际位移值序列di：对振动速度波形测量序列
Figure FDA0002172910360000013
Figure FDA0002172910360000014
进行积分运算，使用正弦波拟合或整数周期序列平均值方法剔除直流分量后，获得正弦位移值波形序列
Figure FDA0002172910360000015
即为A点处的振动位移值序列；而A点的实际位移值序列di＝d1，d2，……，dM为：
Figure FDA0002172910360000016
1.4、计算C点的应变波形序列εci(x)：对于应变梁(1)上任意一个固定点C，设定C距离点O的距离OC＝x，C点处的应变瞬时值εci(x)为：
Figure FDA0002172910360000017
式中，h为应变梁厚度；
1.5、曲线拟合：对C点处的应变瞬时值εci(x)进行正弦波曲线拟合，获得应变峰值εcpeak和频率Ω，从而完成对单点激光应变标定误差的修正。
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