CN110595885A - 一种动态载荷信号采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种动态载荷信号采集装置及方法，包括静态段夹具、动态信号采集电路，所述动态信号采集电路包括一个或多个桥路联接的应变片补偿电路、信号放大器、信号采集器，一个或多个桥路联接的应变片补偿电路联接信号放大器的一端，信号放大器的另一端联接信号采集器；所述的应变片补偿电路中的应变片粘贴在静态段夹具上，高速拉伸试样的一端夹持在静态段夹具上。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的动态载荷信号采集装置及方法，可消除零点漂移、轻质、低成本且易于对中、易于减小测试结果的不确定性，有利于获得高质量的信号采集数据。

Description

一种动态载荷信号采集装置及方法

技术领域

本发明涉及高速动态测量技术，尤其涉及一种动态载荷信号采集装置及方法。

背景技术

随着人们对汽车碰撞安全性认识的普遍提高，碰撞仿真分析越来越受到人们的重视。碰撞仿真分析越准确，对实车碰撞行为的预测越准确。碰撞仿真分析的准确性，在很大程度上取决于输入数据的准确性。

车用材料的高速拉伸数据是碰撞仿真分析过程的关键输入数据。在现有技术中，高速拉伸数据最主要的测试平台是液压伺服式高速拉伸试验机。为获得准确的高速拉伸曲线，往往通过在试样上直接粘贴应变片，由应变片输出数毫伏的低电平信号，再由高增益的信号放大器进行放大和缓冲，之后经过数据采集系统、模数转换后，获得动态载荷信号。这种采集方法获得的数据质量与机器自带的载荷传感器获得的数据相比有明显提高。但仍存在包括零点漂移和对中性差在内的诸多误差。

在现有的应变片式传感器中，经常发生零点漂移。目前认为这种误差通常是由测试电路阻值波动和温度波动引起。在高速拉伸测试中采用带温度自补偿的高频响应变片能够消除温度漂移，因此测试电路电阻值波动就成为了零点漂移的最主要因素。实践过程中发现，无论将应变片粘贴在试样上还是夹具上，即使在标定过程中采用现有技术消除零点漂移后，切换到高速拉伸试验机上之后，零点漂移也会重新出现，这是造成高速动态测试误差的主要原因之一。由于动态测试采用液压伺服开环控制，这种条件下的零点漂移问题，目前无法采用现有软硬件技术加以解决。

此外，这种应变片式载荷传感器直接安装在试样上，在加载过程中不容易确保试样的对中性。另外，在试样上粘贴的高精度应变片为一次性使用，在多个试样粘贴应变片会引入不同误差，造成测量结果不确定性增大，这些因素与整个加载链中的其他因素例如加载系统质量大、惯性效应大等，共同导致了动态测试信号的低质量，最终很难获得理想的小振荡或无振荡的载荷曲线。而且这种直接在试样上粘贴应变片的方式导致测试成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态载荷信号采集装置及方法，可消除零点漂移、轻质、低成本且易于对中、易于减小测试结果的不确定性，有利于获得高质量的信号采集数据。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种动态载荷信号采集装置，包括静态段夹具、动态信号采集电路，所述动态信号采集电路包括一个或多个桥路联接的应变片补偿电路、信号放大器、信号采集器，一个或多个桥路联接的应变片补偿电路联接信号放大器的一端，信号放大器的另一端联接信号采集器；所述的应变片补偿电路中的应变片粘贴在静态段夹具上，高速拉伸试样的一端夹持在静态段夹具上。

所述应变片补偿电路由电阻应变片和补偿电路构成，所述补偿电路包括固定电阻、可调电阻Ⅰ、可调电阻Ⅱ、精密固定电阻；所述电阻应变片、固定电阻、可调电阻Ⅰ和可调电阻Ⅱ串联在同一条电路上，所述精密固定电阻与可调电阻Ⅱ并联，可调电阻I的阻值小于固定电阻的阻值而大于精密固定电阻的阻值，可调电阻Ⅱ的阻值小于等于可调电阻Ⅰ的阻值而大于精密固定电阻的阻值。

所述静态段夹具包括端部夹持区、夹具本体，在所述夹具本体上设有高速拉伸试样夹持凹槽，凹槽中设有螺纹孔，凹槽深度1/2处与端部夹持区厚度1/2处位于同一平面。

所述高速拉伸试样依次设置有静态段、平行段、动态段，所述静态段的形状与静态段夹具上的高速拉伸试样夹持凹槽相匹配，在静态段上设有螺栓孔。

所述的多个桥路联接的应变片补偿电路为2个或4个，2个桥路联接的应变片补偿电路为半桥联接，4个桥路联接的应变片补偿电路为全桥联接。

一种动态载荷信号采集装置的信号采集方法，包括如下步骤：

1)在静态段夹具上粘贴电阻应变片。粘贴多个电阻应变片时，各电阻应变片的标称电阻值应相同，且实际电阻值的波动范围应相同；

2)调整补偿电路的可调电阻Ⅰ和可调电阻Ⅱ的阻值，使补偿电路两端的电阻值与电阻应变片的标称电阻值相等；

3)联接应变片补偿电路，并与信号放大器14连接；

4)将高速拉伸试样1的静态段放入高速拉伸试样夹持凹槽，然后在高速拉伸试样的静态段的两侧对称放入不同厚度级别的垫片，高速拉伸试样与垫片的总厚度不超过高速拉伸试样夹持凹槽的深度，然后采用螺栓固定连接；

5)将静态段夹具的端部夹持区放入静态拉伸试验机下夹具内并夹紧，将高速拉伸试样的动态段放入静态拉伸试验机上夹具内并夹紧；

6)选好信号放大器的放大倍数后，按动调零旋钮后，出现零点漂移，旋拧应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ或可调电阻I，直至零点漂移消除为止；

7)在高速拉伸试样的弹性范围内进行单向加载，使高速拉伸试样在静态下拉伸至屈服强度以下，分别记录某一放大倍数下的载荷、电压值，根据载荷-电压关系获得载荷-电压标定系数；

8)将标定后的应变片补偿电路及信号放大器与高速拉伸试验机上的信号采集器连接；

9)将静态段夹具的端部夹持区放入高速拉伸试验机下夹具内，将高速拉伸试样的动态段放入高速拉伸试验机上夹具内；

10)设置好高速拉伸试验参数并启动试验机高压后，按信号放大器上的调零旋钮使信号放大器调零，出现零点漂移后，旋拧可调电阻Ⅱ或可调电阻I，直至零点漂移消除为止；

11)按预先设定的程序完成高速拉伸试验，获得动态载荷信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的动态载荷信号采集装置及方法，将应变片安装在夹具上，从以下两方面设计，从而有利于获得高质量的动态载荷信号。一是引入一种补偿电路提高应变片测试精度，能够消除动态载荷信号采集调零后的零点漂移；二是采用特殊连接结构的轻质夹具及垫片，可减小加载系统、减小惯性效应、降低载荷数值偏差、降低测试结果的不确定性，同时确保高速拉伸试样在加载过程中始终具有较好的对中性。另外，本发明成本低，易于推广应用。

附图说明

图1高速拉伸试样示意图。

图2静态段夹具示意图。

图3垫片示意图。

图4动态信号采集电路示意图(实施例一)。

图5动态信号采集装置示意图(实施例一)。

图中：1、高速拉伸试样；2、静态段夹具；3、动态信号采集电路；4、静态段；5、平行段；6、动态段；7、夹具本体；8、螺栓；9、垫片；10、电阻应变片；11、信号采集器；12、补偿电路Ⅰ；13、补偿电路Ⅱ；14、信号放大器；15、端部夹持区；16、线缆；17、固定电阻；18、可调电阻Ⅰ；19、可调电阻Ⅱ；20、精密固定电阻。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1-图4，一种动态载荷信号采集装置，包括静态段夹具2、动态信号采集电路3，所述的动态信号采集电路3包括一个或多个桥路联接的应变片补偿电路、信号放大器14、信号采集器11，一个或多个桥路联接的应变片补偿电路联接信号放大器14的一端，信号放大器14的另一端联接信号采集器11；所述的应变片补偿电路中的电阻应变片10粘贴在静态段夹具2上，高速拉伸试样1的一端夹持在静态段夹具2上。

所述的应变片补偿电路由电阻应变片10和补偿电路构成，所述的补偿电路包括固定电阻17、可调电阻Ⅰ18、可调电阻Ⅱ19、精密固定电阻20；所述的电阻应变片10、固定电阻17、可调电阻Ⅰ18和可调电阻Ⅱ19串联在同一条电路上，所述的精密固定电阻20与可调电阻Ⅱ19并联，可调电阻I18的阻值(例如20欧姆)小于固定电阻17的阻值(例如100欧姆)而大于精密固定电阻20的阻值(例如3.6欧姆)，可调电阻Ⅱ19的阻值(例如20欧姆)小于等于可调电阻Ⅰ18的阻值(例如20欧姆)而大于精密固定电阻20的阻值(例如3.6欧姆)。

所述静态段夹具2包括端部夹持区15、夹具本体7，在所述夹具本体7上设有高速拉伸试样夹持凹槽，凹槽中设有螺纹孔。凹槽深度1/2处与端部夹持区15厚度1/2处位于同一平面。

静态段夹具2选用轻质材料整体制造，整体呈长方体，凹槽的形状与试样静态段4相匹配。

所述高速拉伸试样1呈狗骨型，依次设置有静态段4、平行段5、动态段6，所述静态段4的形状与静态段夹具2上的高速拉伸试样夹持凹槽相匹配，在静态段4上设有螺栓孔。

所述的多个桥路联接的应变片补偿电路为2个或4个，2个桥路联接的应变片补偿电路为半桥联接，4个桥路联接的应变片补偿电路为全桥联接。

电阻应变片10选用高响应频率单栅电阻应变片，例如标称电阻值120欧姆。信号放大器14选用LK2107A型高频响超动态应变仪，具有电压显示、信号调制和放大功能。

一种动态载荷信号采集装置的信号采集方法，包括如下步骤：

1)在静态段夹具2上粘贴电阻应变片10，当粘贴多个电阻应变片时，各电阻应变片10的标称电阻值相同，实际电阻值的波动范围相同；

2)根据电阻应变片10的标称电阻值，调整补偿电路的可调电阻Ⅰ18和可调电阻Ⅱ19的阻值，使补偿电路两端的电阻值与电阻应变片10的标称电阻值相等；

3)联接应变片补偿电路，并与信号放大器14连接；

4)将高速拉伸试样1的静态段4放入高速拉伸试样夹持凹槽，然后在高速拉伸试样1的静态段4的两侧对称放入不同厚度级别的垫片9，确保高速拉伸试样1与垫片9的总厚度不超过高速拉伸试样夹持凹槽的深度，然后采用螺栓8将高速拉伸试样1和垫片9固定连接到夹具本体7上；

垫片9的形状与静态段4形状相同，按厚度分为若干级别，同一厚度级别片数为偶数。

5)将静态段夹具2的端部夹持区15放入静态拉伸试验机下夹具内并夹紧，将高速拉伸试样1的动态段6放入静态拉伸试验机上夹具内并夹紧；

6)选好信号放大器14的放大倍数，按动调零旋钮后，出现零点漂移，旋拧应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

7)在高速拉伸试样1的弹性范围内进行单向加载，使高速拉伸试样1在静态下拉伸至屈服强度以下，分别记录某一放大倍数下的载荷、电压值，根据载荷-电压关系获得载荷-电压标定系数；

8)将标定后的应变片补偿电路及信号放大器与高速拉伸试验机上的信号采集器11连接；

9)将静态段夹具的端部夹持区15放入高速拉伸试验机下夹具内，将高速拉伸试样1的动态段6放入高速拉伸试验机上夹具内；

10)设置好高速拉伸试验参数并启动试验机高压后，按信号放大器14上的调零旋钮使信号放大器调零，出现零点漂移后，旋拧应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

11)按预先设定的程序完成高速拉伸试验，获得动态载荷信号。

实施例一：

如图4、图5所示，本实施例的动态信号采集电路中半桥联接两个应变片补偿电路。

本实施例动态载荷信号采集装置的采集方法，包括以下步骤：

1)在静态段夹具2两侧各粘贴一片电阻应变片10，两个电阻应变片10相对位置相同；两个电阻应变片10的标称电阻值相同、实际电阻值波动范围相同；

2)根据电阻应变片10的标称电阻，调整补偿电路Ⅰ12和补偿电路Ⅱ13中的可调电阻Ⅰ18和可调电阻Ⅱ19的阻值，使两个补偿电路两端的电阻值均与电阻应变片的10标称电阻相等；

3)将两个电阻应变片10分别与补偿电路Ⅰ12和补偿电路Ⅱ13连接，然后与信号放大器14连接；

4)将高速拉伸试样1的静态段4放入高速拉伸试样夹持凹槽，高速拉伸试样1的静态段4的两侧对称放入不同厚度级别的垫片9，高速拉伸试样1与垫片9的总厚度不超过高速拉伸试样夹持凹槽的深度，然后采用螺栓8将高速拉伸试样1和垫片9固定连接到夹具本体7上；

5)将静态段夹具2的端部夹持区15放入静态拉伸试验机下夹具内并夹紧，将高速拉伸试样1的动态段6放入静态拉伸试验机上夹具内并夹紧；

6)选好信号放大器14的放大倍数后，按动调零旋钮，出现零点漂移后，旋拧两个应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧每个补偿电路中的可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

7)在高速拉伸试样1的弹性范围内进行单向加载，使高速拉伸试样1在静态下拉伸至屈服强度以下，分别记录某一放大倍数下的载荷、电压值，根据载荷-电压关系获得载荷-电压标定系数；

8)将标定后的应变片补偿电路及信号放大器与高速拉伸试验机上的信号采集器11连接；

9)将静态段夹具2的端部夹持区15放入高速拉伸试验机下夹具内，将高速拉伸试样1的动态段6放入高速拉伸试验机上夹具内；

10)设置好高速拉伸试验参数并启动试验机高压后，按信号放大器14上的调零旋钮使信号放大器调零，出现零点漂移后，旋拧两个应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧每个补偿电路中的可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

11)按预定程序完成高速拉伸试验，获得动态载荷信号。

实施例二：

本实施例的动态信号采集电路中为1/4桥联接一个应变片补偿电路。

本实施例动态载荷信号采集装置的采集方法，包括以下步骤：

1)在静态段夹具2上粘贴一片阻值波动范围小的电阻应变片10；

2)根据电阻应变片10的标称电阻，调整补偿电路的可调电阻Ⅰ18和可调电阻Ⅱ19的阻值，使补偿电路两端的电阻值与电阻应变片的标称电阻相同；

3)将电阻应变片10与补偿电路连接，并与信号放大器14连接；

4)将高速拉伸试样1的静态段4放入高速拉伸试样夹持凹槽，高速拉伸试样1的静态段4的两侧对称放入不同厚度级别的垫片9，高速拉伸试样1与垫片9的总厚度不超过高速拉伸试样夹持凹槽的深度，然后采用螺栓8将高速拉伸试样1和垫片9固定连接到夹具本体7上；

5)将静态段夹具2的端部夹持区15放入静态拉伸试验机下夹具内并夹紧，将高速拉伸试样1的动态段6放入静态拉伸试验机上夹具内并夹紧；

6)选好信号放大器14的放大倍数，按动调零旋钮后，出现零点漂移，旋拧应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

7)在高速拉伸试样1的弹性范围内进行单向加载，使高速拉伸试样1在静态下拉伸至屈服强度以下，分别记录某一放大倍数下的载荷、电压值，根据载荷-电压关系获得载荷-电压标定系数；

8)将标定后的应变片补偿电路及信号放大器与高速拉伸试验机上的信号采集器11连接；

9)将静态段夹具2的端部夹持区15放入高速拉伸试验机下夹具内，将高速拉伸试样1的动态段6放入高速拉伸试验机上夹具内；

10)设置好高速拉伸试验参数并启动试验机高压后，按信号放大器14上的调零旋钮使信号放大器调零，出现零点漂移后，旋拧应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

11)按预定程序完成高速拉伸试验，获得动态载荷信号。

实施例三：

本实施例的动态信号采集电路中全桥联接四个应变片补偿电路。

本实施例动态载荷信号采集装置的采集方法，包括以下步骤：

1)在静态段夹具2上粘贴四个电阻应变片10，在静态段夹具2的两侧各粘两个，且两侧粘贴的位置相同；四个电阻应变片10的的标称电阻值相同、实际电阻值波动范围相同；

2)根据电阻应变片10的标称电阻，分别调整四个补偿电路中的可调电阻Ⅰ18和可调电阻Ⅱ19的阻值，使四个补偿电路两端的电阻值与试验片的标称电阻值均相同；

3)将四个电阻应变片分别与四个补偿电路连接，然后与信号放大器14连接；

4)将高速拉伸试样1的静态段4放入高速拉伸试样夹持凹槽，高速拉伸试样1的静态段4的两侧对称放入不同厚度级别的垫片9，高速拉伸试样1与垫片9的总厚度不超过高速拉伸试样夹持凹槽的深度，然后采用螺栓8将高速拉伸试样1和垫片9固定连接到夹具本体7上；

5)将静态段夹具2的端部夹持区15放入静态拉伸试验机下夹具内并夹紧，将高速拉伸试样1的动态段6放入静态拉伸试验机上夹具内并夹紧；

6)选好信号放大器14的放大倍数后，按动调零旋钮，出现零点漂移后，旋拧四个应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧每个补偿电路的可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

7)在高速拉伸试样1的弹性范围内进行单向加载，使高速拉伸试样1在静态下拉伸至屈服强度以下，分别记录某一放大倍数下的载荷、电压值，根据载荷-电压关系获得载荷-电压标定系数；

8)将标定后的应变片补偿电路及信号放大器与高速拉伸试验机上的信号采集器11连接；

9)将静态段夹具2的端部夹持区15放入高速拉伸试验机下夹具内，将高速拉伸试样1的动态段6放入高速拉伸试验机上夹具内；

10)设置好高速拉伸试验参数并启动试验机高压后，按信号放大器14上的调零旋钮使信号放大器调零，出现零点漂移后，旋拧四个应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ19至零点漂移消除。若仍无法消除，则同时旋拧每个补偿电路的可调电阻I18和可调电阻I19，直至零点漂移消除为止；

11)按预定程序完成高速拉伸试验，获得动态载荷信号。

Claims (6)

1.一种动态载荷信号采集装置，其特征在于，包括静态段夹具、动态信号采集电路，所述动态信号采集电路包括一个或多个桥路联接的应变片补偿电路、信号放大器、信号采集器，一个或多个桥路联接的应变片补偿电路联接信号放大器的一端，信号放大器的另一端联接信号采集器；所述的应变片补偿电路中的应变片粘贴在静态段夹具上，高速拉伸试样的一端夹持在静态段夹具上。

2.根据权利要求1所述的一种动态载荷信号采集装置，其特征在于，所述应变片补偿电路由电阻应变片和补偿电路构成，所述补偿电路包括固定电阻、可调电阻Ⅰ、可调电阻Ⅱ、精密固定电阻；所述的电阻应变片、固定电阻、可调电阻Ⅰ和可调电阻Ⅱ串联在同一条电路上，所述的精密固定电阻与可调电阻Ⅱ并联，可调电阻I的阻值小于固定电阻的阻值而大于精密固定电阻的阻值，可调电阻Ⅱ的阻值小于等于可调电阻Ⅰ的阻值而大于精密固定电阻的阻值。

3.根据权利要求1所述的一种动态载荷信号采集装置，其特征在于，所述静态段夹具包括端部夹持区、夹具本体，在所述夹具本体上设有高速拉伸试样夹持凹槽，凹槽中设有螺纹孔，凹槽深度1/2处与端部夹持区厚度1/2处位于同一平面。

4.根据权利要求1所述的一种动态载荷信号采集装置，其特征在于，所述高速拉伸试样依次设置有静态段、平行段、动态段，所述静态段的形状与静态段夹具上的高速拉伸试样夹持凹槽相匹配，在静态段上设有螺栓孔。

5.根据权利要求1-4其中任意一项所述的一种动态载荷信号采集装置，其特征在于，所述的多个桥路联接的应变片补偿电路为2个或4个，2个桥路联接的应变片补偿电路为半桥联接，4个桥路联接的应变片补偿电路为全桥联接。

6.一种采用如权利要求1-5其中任意一项所述的动态载荷信号采集装置的信号采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在静态段夹具上粘贴电阻应变片。粘贴多个电阻应变片时，各电阻应变片的标称电阻值应相同，且实际电阻值的波动范围应相同；

2)调整补偿电路的可调电阻Ⅰ和可调电阻Ⅱ的阻值，使补偿电路两端的电阻值与电阻应变片的标称电阻值相等；

3)联接应变片补偿电路，并与信号放大器14连接；

4)将高速拉伸试样1的静态段放入高速拉伸试样夹持凹槽，然后在高速拉伸试样的静态段的两侧对称放入不同厚度级别的垫片，高速拉伸试样与垫片的总厚度不超过高速拉伸试样夹持凹槽的深度，然后采用螺栓固定连接；

5)将静态段夹具的端部夹持区放入静态拉伸试验机下夹具内并夹紧，将高速拉伸试样的动态段放入静态拉伸试验机上夹具内并夹紧；

6)选好信号放大器的放大倍数后，按动调零旋钮后，出现零点漂移，旋拧应变片补偿电路中的可调电阻Ⅱ或可调电阻I，直至零点漂移消除为止；

7)在高速拉伸试样的弹性范围内进行单向加载，使高速拉伸试样在静态下拉伸至屈服强度以下，分别记录某一放大倍数下的载荷、电压值，根据载荷-电压关系获得载荷-电压标定系数；

8)将标定后的应变片补偿电路及信号放大器与高速拉伸试验机上的信号采集器连接；

9)将静态段夹具的端部夹持区放入高速拉伸试验机下夹具内，将高速拉伸试样的动态段放入高速拉伸试验机上夹具内；

10)设置好高速拉伸试验参数并启动试验机高压后，按信号放大器上的调零旋钮使信号放大器调零，出现零点漂移后，旋拧可调电阻Ⅱ或可调电阻I，直至零点漂移消除为止；

11)按预先设定的程序完成高速拉伸试验，获得动态载荷信号。