CN111023962B - 一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，标定设备包括底座、侧梁、加载梁、连接梁、应变梁、内支架、外支架、三点挠度支架、升降机、减速电机和控制系统等；标定设备基于梁在弯曲过程中表面产生的拉压应变原理，采用四点弯矩梁对应变传感器灵敏度进行标定，标定精度达0.3％以上；标定设备采用减速电机配合升降机对应变梁进行施加载荷，通过控制面板或无线遥控器对减速电机进行控制，可实现正反行程双向加载；本发明公开的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，适用于电阻应变片、光纤光栅应变传感器和其他表贴式应变传感器的标定，设备操作简单，标定精度高，稳定性好。

Description

一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备

技术领域

本发明具体涉及一种应变传感器标定设备，属于应变传感器测量标定领域，

背景技术

应变传感器在航空航天、土木工程、石油化工、电力工业等领域应用广泛，在这些应用环境中，应变传感器的精度和可靠性十分重要。应变传感器在使用前必须进行灵敏度标定，高精度的标定系统是传感器特性标定测量成功的保障。

传感器标定过程中需要标准应变发生设备，通用方案有等强度悬臂梁、四点弯矩梁、高精度钢架梁和拉伸板/棒等。前三种方案应用较多，均是基于梁在弯曲过程中表面产生的拉压应变来进行标定，除了系统自身的误差外，在标定过程中还易于受到应变传感器粘胶工艺的影响。四点弯矩梁在尺寸足够大时能够满足精度需求，基于四点弯矩梁的标定方案是国标认可的电阻应变计标定方案。

目前国内应变传感器高精度标定设备应用较多的主要有两种，一种是高精度钢架梁结构设备，该设备已应用于长城计量测试研究技术研究所等标定机构。另外一种是四点弯矩梁结构设备，目前绝大多数设备为单向加载结构，双向加载标定精度相对较差。高精度钢架梁和四点弯矩梁结构设备在应变梁的工作段都属于纯弯梁，二者工作原理一样，即都在纯弯曲段产生标准应变，用来对应变计进行测试或者标定；但二者加载方式和加载原理不同，四点弯矩梁通过支点上的载荷相互抵消从而在中间段产生纯弯曲，高精度钢架梁则通过左右两个机械大臂的张开来产生弯矩并直接作用在应变梁上。相对于四点弯矩梁标定设备，高精度钢架梁标定设备制做复杂、造价昂贵、单次标定费用高、不方便运输，不适合标定需求较多的中小单位长期使用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提出一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，该设备采用四点弯矩梁式结构设计，通过载荷加载系统对应变梁施加载荷，可实现不同加载速率下正反行程双向自动加载标定，设备标定精度高，重复性和可靠性好，制作成本低，操作简单，方便运输。

本发明的技术解决方案是：一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，包括载荷加载系统、应变测量系统、控制系统(5)和设备结构主体梁架；其中，载荷加载系统由减速电机(2)、联轴器(3)、升降机(4)、加载梁(8)、外支架(10)、滚轴(12)和内支架(17)组成；

应变测量系统由位移计(13)、应变梁(14)、三点挠度支架(15)、微型滚轮(16)组成，设备结构主体梁架由底座(1)、脚轮(6)、侧梁(9)、顶梁(11)和连接梁(18)组成；

控制系统(5)控制减速电机(2)工作产生动力并调整减速电机(2)转速，减速电机(2)通过联轴器(3)将动力传递给升降机(4)，升降机(4)推动加载梁(8)上升或下降，在内支架(17)与外支架(10)对应变梁(14)的约束下，对应变梁(14)施加载荷，使应变梁(14)发生弯曲变形；

所述内支架(17)和外支架(10)上设有滚轴(12)；滚轴(12)与应变梁(14)接触；

加载梁(8)两端通过两个直线轴承与连接梁(18)连接，加载梁(8)能够相对于连接梁(18)进行上下移动，内支架(17)与加载梁(8)固定连接，外支架(10)与顶梁(11)、连接梁(18)固定连接；

微型滚轮(16)固定在三点挠度支架(15)两端与应变梁(14)直接接触，位移计(13)与三点挠度支架(15)组合能够测量应变梁(14)与位移计(13)与三点挠度支架(15)的接触点的挠度，接触点作为特征点，将特征点的挠度送至通过控制系统(5)；控制系统(5)能够对粘贴在应变梁(14)上的应变传感器进行标定测试；

所述设备结构主体梁架，底座(1)的下面四角分别安装一个脚轮(6)，两个侧梁(9)通过螺栓与底座(1)连接，连接梁(18)和顶梁(11)的两端内嵌于侧梁(9)的凹槽内后采用螺钉固定。

优选的，控制系统(5)能够将挠度转换成应变梁(14)纯弯段的曲率后再变换得到应变。

优选的，还包括安全限位开关(7)，安全限位开关(7)安装在连接梁(18)上。

优选的，在加载梁(8)与安全限位开关(7)接触时，向控制系统(5)发出控制信号，使载荷加载系统停止工作。

优选的，所述控制系统(5)能够进行载荷加载速度和加载方向的控制，实现加载梁(8)正反行程双向加载.

优选的，控制系统(5)中设置数显电压表，数显电压表能够实时显示应变测量系统示数，

优选的，控制系统(5)的数显电压表提供过流保护和紧急制动的安全保护功能。

优选的，滚轴(12)与应变梁(14)为滚动接触。

优选的，滚轴(12)的支撑结构为磁悬浮或弹簧支撑结构，与滚轴(12)之间有一定的加载游隙。

优选的，所述应变梁(14)为四点弯矩梁，梁截面为正方形，

优选的，正方形边长取值范围10mm～30mm，梁长取值范围300mm～1500mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，采用梁架安装拼接而成，相比钢架梁制作成本低，结构简单，便于运输，可大大降低传感器标定费用；

(2)本发明的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，应变梁截面为方形的四点弯矩梁，纯弯曲段产生的应变均匀，标定精度高，可重复性好，方便进行更换；

(3)本发明的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，采用减速电机为动力源，自带控制系统，可根据设定程序以设定速率自动进行双向加载，实时在线记录测试数据，无需手动加载和记录。

附图说明

图1为本发明的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备立体图；

图2为本发明的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备正视图；

图3为应用本发明设备标定光纤光栅应变传感器全量程(-2500～2500με)拟合曲线；

图4为应用本发明设备标定光纤光栅应变传感器单量程(0～2500με)拟合曲线；

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明公开的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备进一步详细的说明。

本发明公开了一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，标定设备包括底座、侧梁、加载梁、连接梁、应变梁、内支架、外支架、三点挠度支架、升降机、减速电机和控制系统等；标定设备基于梁在弯曲过程中表面产生的拉压应变原理，采用四点弯矩梁对应变传感器灵敏度进行标定，标定精度达0.3％以上；标定设备采用减速电机配合升降机对应变梁进行施加载荷，通过控制面板或无线遥控器对减速电机进行控制，可实现正反行程双向加载；本发明公开的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，适用于电阻应变片、光纤光栅应变传感器和其他表贴式应变传感器的标定，设备操作简单，标定精度高，稳定性好。

如图1所示，本发明提出了一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，包括：载荷加载系统、应变测量系统、控制系统(5)和设备结构主体梁架。其中，载荷加载系统由减速电机(2)、联轴器(3)、升降机(4)、加载梁(8)、外支架(10)、滚轴(12)和内支架(17)组成，应变测量系统由位移计(13)、应变梁(14)、三点挠度支架(15)、微型滚轮(16)组成，设备结构主体梁架由底座(1)、脚轮(6)、侧梁(9)、顶梁(11)和连接梁(18)组成；

所述加载梁(8)两端通过两个直线轴承与连接梁(18)连接，具体为：连接梁(18)的左右两端开有轴承安装孔，两个直线轴承预先安装固定在连接梁(18)上，在加载梁(8)的两端开有轴承安装孔，将两个直线轴承分别套入加载梁(8)的轴承安装孔；

所述加载梁(8)下表面开有螺纹孔，升降机(4)的丝杠底座通过螺纹连接方式与加载梁(8)连接，通过升降机(4)丝杠的上下运动，推动加载梁(8)相对于连接梁(18)进行上下移动；

所述内支架(17)与加载梁(8)固定连接，在加载梁(8)的左右两端的上表面开有螺纹孔，使用螺钉将两个内支架(17)与加载梁(8)固定；

所述外支架(10)上下底面分别与顶梁(11)、连接梁(18)固定连接，其中，顶梁(11)的下表面两端分别开有长方形凹槽，凹槽宽度与外支架(10)宽度一致，深度为1～2mm，连接梁(18)上表面两端分别开有长方形凹槽，凹槽宽度与外支架(10)宽度一致，深度为1～2mm，两个外支架(10)上端分别嵌入顶梁(11)左右两端凹槽内，两个外支架(10)下端分别嵌入连接梁(18)左右两端凹槽内，安装时选择过盈配合方式；

所述内支架(17)为凸台型结构，凸台的下部有四个用于螺纹连接的通孔，凸台中部前面开有凹槽，用于安装应变梁(14)，凹槽的高度大于应变梁(14)的厚度，深度小于凸台的前后面厚度，在凹槽的上下两侧开有圆孔，用于安装滚轴(12)；

所述外支架(10)为长方体结构，在长方体的中部前面开有凹槽，用于安装应变梁(14)，凹槽的高度大于应变梁(14)的厚度，深度小于长方体的前后面厚度，在凹槽的上下两侧开有圆孔，用于安装滚轴(12)；

所述载荷加载系统，通过控制系统(5)控制减速电机(2)工作产生动力并调整减速电机(2)转速，减速电机(2)通过联轴器(3)将动力传递给升降机(4)，升降机(4)推动加载梁(8)上升或下降，定义加载梁(8)上升为正行程，加载梁(8)下降为反行程，通过控制系统(5)的调节来实现正反行程双向加载；

所述载荷加载系统，升降机(4)可安装转轮进行手动加载，可以根据不同标定测试工况要求控制加载方向和加载速度，设置更灵活的加载方式；

所述左右两个外支架(10)处，应变梁(14)上下表面与滚轴(12)均为滚动接触，在加载梁(8)上下移动时，限制了应变梁(14)的上下平动，在左右两个内支架(17)处，应变梁(14)上下表面与滚轴(12)均为滚动接触，在加载梁(8)上下移动时，内支架(17)带动应变梁(14)上下平动；

所述外支架(10)和内支架(17)共同给应变梁(14)进行限位约束，在加载梁(8)上升或下降时，应变梁(14)将产生四点弯曲变形，分别形成对称的上拱或下拱形状，两个外支架(10)和两个内支架(17)支点上的载荷相互抵消，应变梁(14)在左右两个内支架(17)之间的区域段，不受剪力影响，产生的应变完全由弯曲变形引起，该区域段为纯弯段；

所述滚轴(12)与应变梁(14)为滚动接触，在有效传递加载梁(8)提供给应变梁(14)的作用力的同时，可有效减少与应变梁(14)的摩擦，防止影响应变梁(14)自由弯曲变形，从而影响标定精度，并防止损伤应变梁(14)，滚轴(12)的支撑结构为磁悬浮或弹簧支撑结构，与滚轴(12)之间有一定的加载游隙，保证三点挠度支架(15)在正反行程整个测量过程中与应变梁(14)始终接触，不发生相对移动；

如图2所示，所述应变测量系统，微型滚轮(16)固定在三点挠度支架(15)两端与应变梁(14)直接接触，在应变梁(14)发生弯曲变形时，位移计(13)与三点挠度支架(15)组合能够测量应变梁(14)上特征点的挠度值，通过控制系统(5)将挠度值转换成应变梁(14)纯弯段的曲率后再变换得到应变值，能够对粘贴在应变梁(14)上的应变传感器进行标定测试，使用应变测量系统获取的高精度的应变值与外部设备测量的应变传感器特征参数，计算应变传感器的灵敏度系数，实现传感器应变特性标定；

所述三点挠度支架(15)为几字型形状，左右两端为三点挠度支架(15)的两个支点，各安装一个微型滚轮(16)，在几字型支架中间设有通孔，用于安装位移计(13)；

所述位移计(13)为机械顶针式千分表，精度分辨率优于2μm，精度优于5μm，带置零功能和信号输出功能，位移计(13)安装于三点挠度支架(15)中间位置的安装孔内，顶针与应变梁(14)中间点表面接触；

所述应变梁(14)横截面为方形，材料为铝合金或钢；

所述三点挠度支架(15)与位移计(13)可以组成一个三点挠度计，可以测量应变梁(14)上三个支点的挠度，其中，左右两端为三点挠度支架(15)的两个支点、中间为位移计(13)的触压点，通过该三点的挠度可以换算应变梁(14)纯弯段的曲率，进而变换得到纯弯段弯曲变形所引起的应变值；

所述三点挠度支架(15)和应变梁(14)之间通过弹簧或自重实现压触式连接，确保三点挠度支架(15)的三个支点始终与应变梁(14)接触，避免结构自身变形的影响；

所述微型滚轮(16)与应变梁(14)为滚动接触，可有效减少与应变梁(14)的摩擦，防止影响应变梁(14)自由弯曲变形，并有效降低应变梁(14)损伤；

所述控制系统(5)由电磁继电器、紧急制动开关、数显电压表、空气开关、内部电路和遥控设备等结构组成，电磁继电器和内部电路用于对载荷加载系统中减速电机(2)的旋转速度和旋转方向的控制，进而实现应变梁(14)正反行程双向加载，紧急制动开关用于在控制失灵时手动紧急制动，使用空气开关进行系统的过流保护，通过内部电路实现应变梁(14)弯曲变形时挠度值与应变值的换算，数显电压表可以实时显示应变测量值，控制系统(5)可以近距离进行面板控制操作，也可通过遥控设备进行远距离控制操作；

所述设备结构主体梁架，底座(1)的下面四角分别安装一个脚轮(6)，两个侧梁(9)通过螺栓与底座(1)连接，连接梁(18)和顶梁(11)的两端内嵌于侧梁(9)的凹槽内后采用螺钉固定，主体梁架起支撑和承力作用；

所述脚轮(6)为万向轮，并自带锁死机构，可实现设备水平方向的自由移动与放置；

四点弯矩梁式应变传感器标定设备由载荷加载系统、应变测量系统、控制系统(5)和设备结构主体梁架组成。载荷加载系统工作时，减速电机(2)通过联轴器(3)与升降机(4)相连，将动力传递给升降机(4)，升降机(4)的丝杠底座与加载梁(8)螺栓连接，通过升降机(4)的升降可实现加载梁(8)的升降，在内支架(17)和外支架(10)对应变梁(14)的限位约束作用下，使应变梁(14)的纯弯曲段产生均匀弯曲变形。应变测量系统由位移计(13)、应变梁(14)、三点挠度支架(15)、微型滚轮(16)组成，在应变梁(14)发生弯曲变形时，位移计(13)与三点挠度支架(15)组合能够测量应变梁(14)上特征点的挠度值，通过控制系统(5)将挠度值转换成应变梁(14)纯弯段的曲率后再变换得到应变值，用于对粘贴在应变梁(14)上的应变传感器进行标定测试。控制系统(5)可实现对载荷加载系统中减速电机(2)的旋转速度和旋转方向的控制，进而实现应变梁(14)正反行程双向加载，同时通过内部电路实现应变梁(14)弯曲变形时挠度值与应变值的换算。设备结构主体梁架由底座(1)、脚轮(6)、侧梁(9)、顶梁(11)和连接梁(18)组成，结构底座下安装四个脚轮(6)，用于结构自由移动，底座(1)、侧梁(9)、顶梁(11)和连接梁(18)起支撑和承力作用。

实施例

如图1所示，本发明公开的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，包括：底座(1)长1200mm，宽400mm，厚50mm，侧梁(9)高650mm，连接梁(18)厚45mm，顶梁(11)厚80mm，加载梁厚80mm；内支架(17)和外支架(10)通过螺栓分别与加载梁(8)和连接梁(18)连接；减速电机(2)为针轮摆线减速电机，减速比71:1，输出轴最快转速每分钟20转。减速电机(2)通过联轴器(3)与升降机(4)连接，升降机(4)最大承受载荷3t左右，减速比24:1，输入轴每旋转一圈输出轴上升0.3mm，使用钢梁时产生3000με对应的施加载荷约为800kg；位移计(13)分辨率1μm，精度5μm，最大量程10mm，位移计(13)通过螺钉与三点挠度支架(15)固定，两个微型滚轮(16)与应变梁(14)接触位置间距250mm，测试中始终保持位移计(13)触头和微型滚轮(16)与应变梁(14)接触；应变梁(14)截面为正方形，正方形边长25mm，梁长950mm，材料为铝合金；控制系统(5)和四个脚轮(6)通过螺钉固定在底座(1)上；安全限位开关(7)安装在连接梁(18)上，防止加载过度或失控。

准备测试前，在应变梁(14)上粘贴应变传感器，待粘接胶充分固化后将应变梁(14)安装到设备上。设定好加载速度和加载方向，然后分别加载到量程的正应变最大点和负应变最大点，在最大应变点分别保持5分钟，观察应变传感器的测试值是否在允许波动范围内，满足要求则进行正式标定测试。

正式标定测试时从应变梁(14)自由状态开始，作为应变测量的零点，分别进行负向的加载、卸载和正向的加载、卸载，并存储应变测量系统获取的应变测量值和外部设备获取的待标定应变传感器特征测量值。

本实例中标定的传感器为光纤光栅应变传感器，环境温度范围为21.0～21.7℃，光纤光栅应变传感器全量程(-2500～2500με)拟合曲线如图3所示，光纤光栅应变传感器单量程(0～2500με)拟合曲线如图4所示，标定结果如表1所示。

表1光纤光栅应变传感器标定结果

	全量程标定实验	单量程标定实验
			量程范围	-2500～2500με	0～2500με
灵敏度系数	1.27304pm/με	1.27802pm/με
			线性相关性	0.99999	0.99999
最大标准差	1.1～2.39pm	1.3～4.3pm

本发明的一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，采用梁架安装拼接而成，相比钢架梁制作成本低，结构简单，便于运输，可大大降低传感器标定费用；本发明的应变梁截面为方形的四点弯矩梁，纯弯曲段产生的应变均匀，标定精度高，可重复性好，方便进行更换；本发明采用减速电机为动力源，自带控制系统，可根据设定程序以设定速率自动进行双向加载，实时在线记录测试数据，无需手动加载和记录。

本发明说明书未详细公开部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种四点弯矩梁式应变传感器标定设备，其特征在于：包括载荷加载系统、应变测量系统、控制系统(5)和设备结构主体梁架；其中，载荷加载系统由减速电机(2)、联轴器(3)、升降机(4)、加载梁(8)、外支架(10)、滚轴(12)和内支架(17)组成；

应变测量系统由位移计(13)、应变梁(14)、三点挠度支架(15)、微型滚轮(16)组成，设备结构主体梁架由底座(1)、脚轮(6)、侧梁(9)、顶梁(11)和连接梁(18)组成；

控制系统(5)控制减速电机(2)工作产生动力并调整减速电机(2)转速，减速电机(2)通过联轴器(3)将动力传递给升降机(4)，升降机(4)推动加载梁(8)上升或下降，在内支架(17)与外支架(10)对应变梁(14)的约束下，对应变梁(14)施加载荷，使应变梁(14)发生弯曲变形；

所述内支架(17)和外支架(10)上设有滚轴(12)；滚轴(12)与应变梁(14)接触；

加载梁(8)两端通过两个直线轴承与连接梁(18)连接，加载梁(8)能够相对于连接梁(18)进行上下移动，内支架(17)与加载梁(8)固定连接，外支架(10)与顶梁(11)、连接梁(18)固定连接；

微型滚轮(16)固定在三点挠度支架(15)两端与应变梁(14)直接接触，位移计(13)与三点挠度支架(15)组合能够测量应变梁(14)与位移计(13)与三点挠度支架(15)的接触点的挠度，接触点作为特征点，将特征点的挠度送至通过控制系统(5)；控制系统(5)能够对粘贴在应变梁(14)上的应变传感器进行标定测试；

位移计(13)、三点挠度支架(15)、微型滚轮(16)组成的三点挠度计对应变梁(14)纯弯段的最大挠度进行测量后并转换为标准应变；

所述设备结构主体梁架，底座(1)的下面四角分别安装一个脚轮(6)，两个侧梁(9)通过螺栓与底座(1)连接，连接梁(18)和顶梁(11)的两端内嵌于侧梁(9)的凹槽内后采用螺钉固定；

控制系统(5)能够将挠度转换成应变梁(14)纯弯段的曲率后再变换得到应变；

还包括安全限位开关(7)，安全限位开关(7)安装在连接梁(18)上；

在加载梁(8)与安全限位开关(7)接触时，向控制系统(5)发出控制信号，使载荷加载系统停止工作；

所述控制系统(5)能够进行载荷加载速度和加载方向的控制，实现加载梁(8)正反行程双向加载；

控制系统(5)中设置数显电压表，数显电压表能够实时显示应变测量系统示数；

控制系统(5)的数显电压表提供过流保护和紧急制动的安全保护功能；

滚轴(12)与应变梁(14)为滚动接触；

滚轴(12)的支撑结构为磁悬浮或弹簧支撑结构，与滚轴(12)之间有一定的加载游隙；

所述应变梁(14)为四点弯矩梁，梁截面为方形，边长为10～30mm。

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