CN110849314A - 频率连续可调的动态应变校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的频率连续可调的动态应变校准方法，属于计量测试领域。本发明的方法通过基于悬臂梁的动态应变校准装置实现，校准装置包括振动激励器、悬臂梁、激光干涉仪、数据采集系统、数据分析系统、应变解调仪、被校应变计、微位移机构、柔性杆件。启动动态应变激励系统产生正弦应变；通过激光干涉仪测量梁在垂直方向的位移，经计算得到各点的标准应变值；被校应变计安装于悬臂梁表面，应变解调仪对应变计信号进行解调，数据采集系统同步采集激光干涉仪和应变解调仪的输出信号，数据处理系统比较标准应变值和被校应变测量系统的输出，实现对应变计的动态校准。本发明能够满足应变计进行频率连续变化的动态校准的需求，适用校准频段为0至500Hz。

Description

频率连续可调的动态应变校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准方法，具体涉及一种频率连续可调的动态应变校准方法，属于计量测试领域。

背景技术

动态应变是机械动载荷测试和健康监测的重要参数。准确可靠的动态应变测量数据对于判断机械结构可靠性、确定机器的健康状态、检测结构损伤有重要意义。

目前一般采用应变计测量应变，对应变计的动态特性缺乏有效的校准方法及装置，长期存在以静态校准代替动态校准的做法，这在原理上存在误差，无法满足结构动态应变测量的需求。因此需要一种可实现频率连续变化的动态应变校准方法，实现频率连续可调的动态应变校准。

发明内容

为解决静态校准代替动态校准的问题，本发明公开的频率连续可调的动态应变校准方法要解决的技术问题是：满足应变计进行频率连续变化的动态校准的需求，适用校准频段为0至500Hz。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的频率连续可调的动态应变校准方法，通过基于悬臂梁的动态应变校准装置实现，所述校准装置包括振动激励器、悬臂梁、激光干涉仪、数据采集系统、数据分析系统、应变解调仪、被校应变计、微位移机构、柔性杆件。悬臂梁一端固定，另一端通过柔性杆件安装在振动激励器上构成动态应变激励系统，激光干涉仪安装在微位移机构上作为基准测量系统测量垂直方向的振动，被校应变计与应变解调仪连接作为被校动态应变测量系统。

启动动态应变激励系统产生一定频率和幅值的正弦应变。通过激光干涉仪测量梁在垂直方向的位移，经计算得到各点的标准应变值。被校应变计安装于悬臂梁表面，应变解调仪对应变计信号进行解调，数据采集系统同步采集激光干涉仪和应变解调仪的输出信号，数据处理系统比较标准应变值和被校应变测量系统的输出，实现对应变计的动态校准。

本发明公开的频率连续可调的动态应变校准方法，包括如下步骤：

步骤一：利用振动激励源驱动柔性杆件带动悬臂梁运动，在悬臂梁上产生动态应变。调节激励源的激励信号频率和幅值，产生不同频率和幅值的动态应变。

步骤二：利用激光干涉仪测量悬臂梁上表面各点沿着垂直方向的位移，微位移机构带动激光干涉仪沿着悬臂梁轴向运动，测量悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)。

步骤三：已知悬臂梁的结构尺寸和材料参数，并且测量到悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)，求悬臂梁上表面任意一点的应变。

步骤三求悬臂梁上表面任意一点的应变包括静力分析法、有限元计算方法。

采用静力分析法求悬臂梁上表面任意一点的应变具体实现方法如下：

在低频振动时，忽略惯性力的影响。

根据静力学公式，对于矩形等截面悬臂梁，梁上各点应变随时间变化的关系为：

式中：L为悬臂梁的长度，h为悬臂梁的厚度，x为悬臂梁上表面应变计粘贴中心距悬臂梁固定端的长度，ω(t)为悬臂梁自由端的挠度随时间的变化。上述悬臂梁的特征参数L、h、x由几何量测量直接获得，悬臂梁在自由端某点的挠度随时间的变化ω(t)由激光干涉仪直接测量得到，由此获得应变随时间的变化关系。

根据静力学公式，对于矩形变截面等强度悬臂梁，梁上各点应变随时间变化的关系为：

根据公式(2)获得悬臂梁上表面任意一点的应变。

采用有限元计算方法求悬臂梁上表面任意一点的应变具体实现方法如下：

在低频振动时，考虑惯性力的影响。针对矩形梁、等强度梁或其它结构的梁，在一定幅值和频率的振动激励条件下，进行有限元模拟仿真，以实际工作状态及连接状况作为边界条件，从而确定各点处的位移及应变，采用激光干涉仪测出悬臂梁的自由端多个测量点的位移，与仿真结果进行分析比较，并优化仿真模型，当两者偏差小到预定范围后，将有限元仿真确定的应变作为标准应变值，即实现悬臂梁的上表面粘贴应变计位置的标准应变值测量。

步骤四：数据处理系统比较标准应变值和应变计的输出，实现对应变计的动态校准。

有益效果：

1、本发明公开的频率连续可调的动态应变校准方法，采用振动激励器对悬臂梁进行激励，采用激光干涉仪测量悬臂梁上表面各点在垂直方向的位移随时间变化，结合不同的动态应变溯源方法，从而实现动态应变的校准，且校准频率和幅值连续可调。

2、本发明公开的频率连续可调的动态应变校准方法，在校准过程中，根据需求调节激励频率及幅值，实现不同频率和幅值下的动态应变校准。

附图说明

图1是本发明公开的频率连续可调的动态应变校准装置的结构示意图。

图2是本发明实施例所采用的悬臂梁结构及坐标示意图，其中：图2(a)为等截面悬臂梁主视图及坐标示意图；图2(b)为等截面悬臂梁俯视图。

其中，1—振动激励器、2—悬臂梁、3—激光干涉仪、4—数据采集系统、5—数据分析系统、6—应变解调仪、7—被校应变计、8—微位移机构、9—柔性杆件。

具体实施方式

下面结合附图与基于方法一的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的频率连续可调的动态应变校准方法，基于本实施例公开的频率连续可调的动态应变校准装置，所述动态应变校准装置包括振动激励器1、悬臂梁2、激光干涉仪3、数据采集系统4、数据分析系统5、应变解调仪6、被校应变计7、微位移机构8、柔性杆件9。

如图2所示，首先选取长度为200mm，厚度为10mm，一阶固有频率约为1kHz的等截面悬臂梁2，采用矩形等截面悬臂梁，首先将悬臂梁2一端固定，固定端的横坐标为0，另一端通过柔性杆件9安装在振动激励器1上，要求柔性杆具有较高的一阶谐振频率，在侧向力作用下可以有一定的侧向位移。

将被校应变计7安装于悬臂梁2上表面，被校应变计7的中心距悬臂梁2固定端20mm，并与应变解调仪6连接。激光干涉仪3安装在微位移机构8上。调节激光干涉仪3的激光光束，使其可以测量悬臂梁2的上表面的位移。将应变解调仪6和激光干涉仪3的输出信号分别接入数据采集系统4进行同步采集，然后由数据分析系统5进行处理。

校准过程中，启动振动激励器1，设定振动激励器激振频率为10Hz。通过微位移机构8调节激光干涉仪3测量悬臂梁2的上表面不同点，获取悬臂梁2上表面测量点在垂直方向的位移数据，激光干涉仪输出的与位移相关的电压信号由数据采集系统4采集，同时，被校应变计7输出信号经应变解调仪6解调后由数据采集系统4进行同步采集，并由数据分析系统5进行处理，实现对应变计的动态校准。

本实施例公开的频率连续可调的动态应变校准方法，具体实现步骤如下：

步骤一：利用振动激励源驱动柔性杆件带动悬臂梁运动，在悬臂梁上产生动态应变。调节激励源的激励信号频率和幅值，产生不同频率和幅值的动态应变。

步骤二：利用激光干涉仪测量悬臂梁上表面各点沿着垂直方向的位移，微位移机构带动激光干涉仪沿着悬臂梁轴向运动，测量悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)。

步骤三：已知悬臂梁的结构尺寸和材料参数，并且测量到悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)，求悬臂梁上表面任意一点的应变。

数据分析系统5计算激光干涉仪测量到的位移，并由公式(1)计算出应变随时间变化的关系：

ε(t)＝0.3375ω(t)

被校应变计7的输出信号由应变解调仪解调，并由数据采集系统4采集。数据处理系统比较标准应变值和应变计的输出，实现对应变计的动态校准。通过校准得到应变计的幅频特性和相频特性。

连续调节振动激励器1的振动频率，实现在不同频点对被校应变计7进行动态校准，获得连续的幅频特性曲线与相频特性曲线。

实施例2：

下面结合附图与基于方法二的实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，首先选取长度为200mm，厚度为10mm，一阶固有频率约为1kHz的等截面悬臂梁2，将悬臂梁2一端固定，另一端通过柔性杆件9安装在模态激励器1上，要求柔性杆具有较高的一阶谐振频率，在侧向力作用下可以有一定的侧向位移。将被校应变计7安装于悬臂梁2上表面，并与应变解调仪6连接。激光干涉仪3安装在微位移机构8上。调节激光干涉仪3的激光光束，使其能够测量悬臂梁2的上表面的位移。将应变解调仪6和激光干涉仪3的输出信号分别接入数据采集系统4进行同步采集。

本实施例公开的频率连续可调的动态应变校准方法，具体实现步骤如下：

步骤一：利用振动激励源驱动柔性杆件带动悬臂梁运动，在悬臂梁上产生动态应变。调节激励源的激励信号频率和幅值，产生不同频率和幅值的动态应变。

步骤二：利用激光干涉仪测量悬臂梁上表面各点沿着垂直方向的位移，微位移机构带动激光干涉仪沿着悬臂梁轴向运动，测量悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)。

步骤三：已知悬臂梁的结构尺寸和材料参数，并且测量到悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)，求悬臂梁上表面任意一点的应变。

对所使用的应变激励源系统，在一定幅值和频率的振动激励条件下，进行有限元建模，初始模型尽可能与实际工作状态一致，对模型进行适合的网格划分，并根据实际工作状态及连接情况作为进行边界条件约束，从而对悬臂梁上各点处的位移及应变进行仿真，确定各处的位移及应变。

采用激光干涉仪测出悬臂梁的自由端多个测量点的位移，与仿真结果进行分析比较，通过比较结构对仿真模型进行优化，使得实测位移数据与仿真得到的位移数据的偏差小到预定范围，此时将该模型作为实际校准装置中应变激励源的有效模型，将此时有限元仿真确定的应变值作为各点处的标准应变值，即实现悬臂梁的上表面粘贴应变计位置的标准应变值测量。

步骤四：数据处理系统比较标准应变值和应变计的输出，实现对应变计的动态校准。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.频率连续可调的动态应变校准方法，其特征在于：通过基于悬臂梁的动态应变校准装置实现，所述校准装置包括振动激励器、悬臂梁、激光干涉仪、数据采集系统、数据分析系统、应变解调仪、被校应变计、微位移机构、柔性杆件；悬臂梁一端固定，另一端通过柔性杆件安装在振动激励器上构成动态应变激励系统，激光干涉仪安装在微位移机构上作为基准测量系统测量垂直方向的振动，被校应变计与应变解调仪连接作为被校动态应变测量系统；

启动动态应变激励系统产生一定频率和幅值的正弦应变；通过激光干涉仪测量梁在垂直方向的位移，经计算得到各点的标准应变值；被校应变计安装于悬臂梁表面，应变解调仪对应变计信号进行解调，数据采集系统同步采集激光干涉仪和应变解调仪的输出信号，数据处理系统比较标准应变值和被校应变测量系统的输出，实现对应变计的动态校准。

2.如权利要求1所述的频率连续可调的动态应变校准方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：利用振动激励源驱动柔性杆件带动悬臂梁运动，在悬臂梁上产生动态应变；调节激励源的激励信号频率和幅值，产生不同频率和幅值的动态应变；

步骤二：利用激光干涉仪测量悬臂梁上表面各点沿着垂直方向的位移，微位移机构带动激光干涉仪沿着悬臂梁轴向运动，测量悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)；

步骤三：已知悬臂梁的结构尺寸和材料参数，并且测量到悬臂梁上表面沿轴向的位移分布Y(x)，求悬臂梁上表面任意一点的应变；

步骤四：数据处理系统比较标准应变值和应变计的输出，实现对应变计的动态校准。

3.如权利要求2所述的频率连续可调的动态应变校准方法，其特征在于：步骤三求悬臂梁上表面任意一点的应变包括静力分析法、有限元计算方法。

4.如权利要求3所述的频率连续可调的动态应变校准方法，其特征在于：采用静力分析法求悬臂梁上表面任意一点的应变具体实现方法如下，

在低频振动时，忽略惯性力的影响；

根据静力学公式，对于矩形等截面悬臂梁，梁上各点应变随时间变化的关系为：

式中：L为悬臂梁的长度，h为悬臂梁的厚度，x为悬臂梁上表面应变计粘贴中心距悬臂梁固定端的长度，ω(t)为悬臂梁自由端的挠度随时间的变化；上述悬臂梁的特征参数L、h、x由几何量测量直接获得，悬臂梁在自由端某点的挠度随时间的变化ω(t)由激光干涉仪直接测量得到，由此获得应变随时间的变化关系；

根据静力学公式，对于矩形变截面等强度悬臂梁，梁上各点应变随时间变化的关系为：

根据公式(2)获得悬臂梁上表面任意一点的应变。

5.如权利要求1或2所述的频率连续可调的动态应变校准方法，其特征在于：采用有限元计算方法求悬臂梁上表面任意一点的应变具体实现方法如下，

在低频振动时，考虑惯性力的影响；针对矩形梁、等强度梁或其它结构的梁，在一定幅值和频率的振动激励条件下，进行有限元模拟仿真，以实际工作状态及连接状况作为边界条件，从而确定各点处的位移及应变，采用激光干涉仪测出悬臂梁的自由端多个测量点的位移，与仿真结果进行分析比较，并优化仿真模型，当两者偏差小到预定范围后，将有限元仿真确定的应变作为标准应变值，即实现悬臂梁的上表面粘贴应变计位置的标准应变值测量。

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