CN111141206A - 一种应变计动态特性检测装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器测量领域，具体地涉及一种应变计动态特性检测装置及其测试方法。一种应变计动态特性检测装置，包括激振器(1)、推杆(2)、阻抗头(3)、磁座(4)、试件(5)、信号采集仪(6)、夹具平台(7)、应变计(8)、标准应变获取装置(9)、夹具(10)、信号发生器(11)和功率放大器(12)。本发明利用试件结构在交变载荷信号激励下应变的对称性，在应变计对称测点利用标准应变获取装置获取标准应变信息，避免了间接测量所造成的误差，本发明的装置结构简单、便于装配、通用性强，本发明并提供了一套完整的应变计动态特性测试方法。
Description
技术领域
本发明属于传感器测量领域，具体地涉及一种应变计动态特性检测装置及其测试方法。
背景技术
金属粘贴式电阻应变计(简称应变计)诞生于1938年，由于其具有体积小，重量轻，测试精度高等优点，至今仍是应用最广泛最有效的应力测量技术。应变计按使用方式可以分为静态应用和动态应用两类，随着我国制造业的不断发展，应变计被越来越多的应用于车辆、船舶、航空航天等领域的动态应力试验。与静态应力试验不同，动态应力试验中的试件承受的载荷为动态载荷，应变计跟随试件产生动态应变，通过动态采集设备获取的应变信号经换算最终得到应力信号，因此，动态应力试验中获取的应变数据与静态应力试验相比存在更为复杂的动态误差，该误差一部分来源于应变计本身的固有属性，另一部分则属于采集设备在采集过程中产生的误差。
目前我国关于应变计的技术要求、试验方法和检验规则主要集中体现在国标“GB/T 13992-2010金属粘贴式电阻应变计”中，其中明确地将静态应用的应变计和动态应用的应变计的检验项目及检验工作顺序进行区分，但是针对动态应用的应变计并没有说明考察其动态特性的检测装置及测试方法，针对应变计的动态特性没有相应的评价指标。可见，动态应力试验中应变测量系统的动态特性还未引起人们的重视，工程实践中也不乏有使用应变计直接获取动态应变信息的案例，忽略了动态误差对于应变计测量结果产生的影响。
目前我国针对动态应力试验的检测方法主要集中于对采集仪的动态校准，针对应变计的动态特性检测方法还停留于上世纪80年代的技术水平，装置类型主要有悬臂梁式、圆筒式和基于霍普金森压杆的应变计动态特检测装置，对于应变计动态特性的检测和计算方法尚未形成统一的规范和标准。申请号(201611155314.4)公开了一种高温、高频循环交变应变加载装置，在传统悬臂梁式应变校准装置基础上进行改进，根据测量位移量间接得到标准应变，装置结构复杂并且对装配精度要求较高。
基于上述问题，本发明提供一种应变计动态特性检测装置及其检测方法，能够方便快捷地检测动态应力试验中整个应变测量系统的动态特性，对指导应变计动态应力试验和完善应变计评价指标体系具有较高的科学试验意义和应用价值。
发明内容
本发明针对动态应力试验过程中，由应变计构成的应变测量系统动态特性不明的问题，提供一种应变计动态特性检测装置及其检测方法，通过直接测量的方法有效获取应变测量系统的动态特性，为实际工程测量中的应变计动态应变试验提供动态特性参数。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种应变计动态特性检测装置，包括激振器1、推杆2、阻抗头3、磁座4、试件5、信号采集仪6、夹具平台7、应变计8、标准应变获取装置9、夹具10、信号发生器11和功率放大器12；
所述激振器1和夹具10固定在夹具平台7上；试件5沿竖直方向固定在夹具10上；应变计8和标准应变获取装置9分别安装在试件5靠近夹具10的应力集中区域的两侧，且应变计8与标准应变获取装置9的测点相重合；阻抗头3安装在试件5距离夹具10的远端，阻抗头3与应变计8位于试件5的同侧，且阻抗头3与应变计8的中心位于试件5的中心线上；应变计8和标准应变获取装置9分别粘贴于试件5上，阻抗头3通过磁座4吸附于试件5上；阻抗头3、应变计8和标准应变获取装置9分别通过各自的线缆与信号采集仪6相连；激振器1和阻抗头3分别与推杆2的两端相连；信号发生器11通过线缆与功率放大器12相连，功率放大器12通过线缆与激振器1相连。
其中，标准应变获取装置9为压电材料制成的高精度应变传感器。
使用应变计动态特性检测装置的应变计动态特性测试方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：获取已知激励下的应变计的响应信号；
搭建上述应变计动态特性检测装置，利用信号发生器11输出特征已知的激励信号，激振器1产生相应的激励并作用于试件5上磁座4吸附的区域，利用信号采集仪6获取阻抗头3的激励信号，与信号发生器11输出的激励信号进行对比，验证激励的一致性；与此同时，利用信号采集仪6获取同一测点的应变计8的应变信号和标准应变获取装置9的标准应变信号B(j)；
步骤2：计算当前激励下的应变计8获取的应变信号幅值σ和标准应变信号幅值σ0；
步骤2.1：对应变计8获取的应变信号进行经验模态分解，得到有限个本征模态函数(IMF)和一个残余函数之和的形式，即：
式中，x(t)为应变计8获取的应变信号，单位为με；
为各个IMF分量，单位为με；r(t)为残余函数，单位为με；
步骤2.2：计算各个IMF分量的能量占比：
式中，
为第i个IMF分量，单位为με；Ei(j)为第i个IMF分量
的能量参数；x(j)为应变计8获取的应变信号，单位为με；Ex(j)为应变计8获取的应变信号x(j)的能量参数；j为信号的样本点编号；N为信号的样本点总数；ER(i)为第i个IMF分量的能量占比；
步骤2.3：将各个IMF分量按照能量占比从大到小进行排序，得到新的IMF序列：
步骤2.4：将能量占比最大的IMF分量γ1(j)作为IMF组合信号H(j)的初始值，将IMF组合信号H(j)与利用标准应变获取装置9测取的标准应变信号B(j)进行相关性分析，得到第一相关系数r的初始值：
式中，Cov(H,B)为H(j)与B(j)的协方差，Var(H)和Var(B)分别为H(j)和B(j)的方差；
步骤2.5：将IMF组合信号H(j)的初始值γ1(j)和γ2(j)相加并与标准应变信号进行相关性分析，计算第二相关系数z；
与第一相关系数r对比，若第二相关系数z大于等于第一相关系数r，则将γ1(j)和γ2(j)作为新的IMF组合信号H(j)，并将第二相关系数z的值赋给第一相关系数r；若相关系数减小，则按能量占比顺序继续将H(j)与下一个IMF分量相加与标准应变信号进行相关性分析；
步骤2.6：重复步骤2.5，当所有IMF分量均经过叠加并完成相关性分析后迭代终止，筛选得到最终的IMF组合信号H(j)即为应变计8获取的有效应变信号G(j)；
步骤2.7：分别对筛选出的有效应变信号G(j)进行峰谷值提取并过滤掉小载荷循环，计算峰值序列均值为PT，谷值序列均值为PD，求得应变计8获取的有效应变信号的幅值σ为：
步骤2.8：对标准应变获取装置9的标准应变信号B(j)进行峰谷值提取并过滤掉小载荷循环，计算峰值序列均值为PT0，谷值序列均值为PD0，求得标准应变获取装置9的标准应变信号的幅值σ0为：
步骤3：时域分析
重复步骤1和步骤2，通过对比应变计8获取的有效应变信号幅值σ和标准应变信号幅值σ0，得到该应变测量系统在特定频率和幅值激励下的动态应变幅值特征；利用应变计8获取的应变信号x(j)和筛选得到的有效应变信号G(j)计算得到误差信号ε(j)：
ε(j)＝x(j)-G(j)，单位为με；
步骤4：频域分析
分别对筛选得到的有效应变信号G(j)和标准应变信号B(j)进行傅里叶变换，得到G(j)的主频为f(Hz)，B(j)的主频为f0(Hz)，对比二者的一致性得到该应变测量系统在特定频率和幅值激励下的动态应变频率特征，f和f0差值的绝对值即为应变测量系统在当前激励下的频率误差fε(Hz)；
fε＝|f-f0|，单位为Hz。
其中，步骤1中，所述激励信号为幅值和频率一定的交变载荷信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、利用试件结构在交变载荷信号激励下应变的对称性，在应变计对称测点利用标准应变获取装置获取标准应变信息，避免了间接测量所造成的误差。
2、装置结构简单、便于装配、通用性强。
3、提供了一套完整的应变计动态特性测试方法。
附图说明
图1是本发明的一种应变计动态特性检测装置的结构示意图；
图2是阻抗头3、应变计8和标准应变获取装置9的安装侧视示意图；
图3是阻抗头3、应变计8和标准应变获取装置9的安装正视示意图；
图4是本发明的一种应变计动态特性测试方法的流程图；
图5是本发明的最优IMF组合信号筛选算法流程图。
其中的附图标记为：
1、激振器 2、推杆
3、阻抗头 4、磁座
5、试件 6、信号采集仪
7、夹具平台 8、应变计
9、标准应变获取装置 10、夹具
11、信号发生器 12、功率放大器
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种应变计动态特性检测装置包括激振器1、推杆2、阻抗头3、磁座4、试件5、信号采集仪6、夹具平台7、应变计8、标准应变获取装置9、夹具10、信号发生器11和功率放大器12。
本实施例中，标准应变获取装置9选用压电材料制成的高精度应变传感器。
所述激振器1和夹具10通过螺栓固定在夹具平台7上；试件5沿竖直方向固定在夹具10上；应变计8和标准应变获取装置9分别安装在试件5靠近夹具10的应力集中区域的两侧，且应变计8与标准应变获取装置9的测点相重合；阻抗头3安装在试件5距离夹具10的远端，阻抗头3与应变计8位于试件5的同侧，且阻抗头3与应变计8的中心位于试件5的中心线上，如图2及图3所示；应变计8按照应变计测试规范粘贴于试件5上，标准应变获取装置9按照其使用规范粘贴于试件5上，阻抗头3通过磁座4吸附于试件5上；阻抗头3、应变计8和标准应变获取装置9分别通过各自的线缆与信号采集仪6相连；激振器1和阻抗头3分别与推杆2的两端相连；信号发生器11通过线缆与功率放大器12相连，功率放大器12通过线缆与激振器1相连。
如图4所示，使用本发明的应变计动态特性检测装置的应变计动态特性测试方法，包括如下步骤：
步骤1：获取已知激励下的应变计的响应信号。
搭建上述应变计动态特性检测装置，利用信号发生器11输出特征已知的激励信号，所述激励信号为幅值和频率一定的交变载荷信号，激振器1产生相应的激励并作用于试件5上磁座4吸附的区域，利用信号采集仪6获取阻抗头3的激励信号，与信号发生器11输出的激励信号进行对比，验证激励的一致性。与此同时，利用信号采集仪6获取同一测点的应变计8的应变信号和标准应变获取装置9的标准应变信号B(j)。
步骤2：计算当前激励下的应变计8获取的应变信号幅值σ和标准应变信号幅值σ0。
步骤2.1：对应变计8获取的应变信号进行经验模态分解，得到有限个本征模态函数(IMF)和一个残余函数之和的形式，即：
式中，x(t)为应变计8获取的应变信号，单位为με；
为各个IMF分量，单位为με；r(t)为残余函数，单位为με。
步骤2.2：计算各个IMF分量的能量占比：
式中，
为第i个IMF分量，单位为με；Ei(j)为第i个IMF分量
的能量参数；x(j)为应变计8获取的应变信号，单位为με；Ex(j)为应变计8获取的应变信号x(j)的能量参数；j为信号的样本点编号；N为信号的样本点总数；ER(i)为第i个IMF分量的能量占比。
步骤2.3：将各个IMF分量按照能量占比从大到小进行排序，得到新的IMF序列：
步骤2.4：将能量占比最大的IMF分量γ1(j)作为IMF组合信号H(j)的初始值，将IMF组合信号H(j)与利用标准应变获取装置9测取的标准应变信号B(j)进行相关性分析，得到第一相关系数r的初始值：
式中，Cov(H,B)为H(j)与B(j)的协方差，Var(H)和Var(B)分别为H(j)和B(j)的方差。
步骤2.5：将IMF组合信号H(j)的初始值γ1(j)和γ2(j)相加并与标准应变信号进行相关性分析，计算第二相关系数z。
与第一相关系数r对比，若第二相关系数z大于等于第一相关系数r，则将γ1(j)和γ2(j)作为新的IMF组合信号H(j)，并将第二相关系数z的值赋给第一相关系数r；若相关系数减小，则按能量占比顺序继续将H(j)与下一个IMF分量相加与标准应变信号进行相关性分析；
步骤2.6：重复步骤2.5，当所有IMF分量均经过叠加并完成相关性分析后迭代终止，筛选得到最终的IMF组合信号H(j)即为应变计8获取的有效应变信号G(j)，有效应变信号G(j)的筛选算法流程图如图5所示。
步骤2.7：分别对筛选出的有效应变信号G(j)进行峰谷值提取并过滤掉小载荷循环，计算峰值序列均值为PT，谷值序列均值为PD，求得应变计8获取的有效应变信号的幅值σ为：
步骤2.8：对标准应变获取装置9的标准应变信号B(j)进行峰谷值提取并过滤掉小载荷循环，计算峰值序列均值为PT0，谷值序列均值为PD0，求得标准应变获取装置9的标准应变信号的幅值σ0为：
步骤3：时域分析
重复步骤1和步骤2，通过对比应变计8获取的有效应变信号幅值σ和标准应变信号幅值σ0，可以得到该应变测量系统在特定频率和幅值激励下的动态应变幅值特征。利用应变计8获取的应变信号x(j)和筛选得到的有效应变信号G(j)计算得到误差信号ε(j)。
ε(j)＝x(j)-G(j)，单位为με
步骤4：频域分析
分别对筛选得到的有效应变信号G(j)和标准应变信号B(j)进行傅里叶变换，得到G(j)的主频为f(Hz)，B(j)的主频为f0(Hz)，对比二者的一致性得到该应变测量系统在特定频率和幅值激励下的动态应变频率特征，f和f0差值的绝对值即为应变测量系统在当前激励下的频率误差fε(Hz)。
fε＝|f-f0|，单位为Hz。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“远端”、“同侧”、“中心”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，出于提高测试精度的目的所提出的一种方案，而不是指示或暗示所指装置或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
另外，在本发明的描述中，还需理解的是，术语“阻抗头”是为了准确获取激励信号的传感器，术语“标准应变获取装置”是为了准确获取应变计测点位置的标准应变信号的传感器或测量设备，仅是为了实现测量需求所提出的一种方案，而不是指示或暗示本发明所用传感器必须为特定传感器类型，因此不能理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种应变计动态特性检测装置，其特征在于：包括激振器(1)、推杆(2)、阻抗头(3)、磁座(4)、试件(5)、信号采集仪(6)、夹具平台(7)、应变计(8)、标准应变获取装置(9)、夹具(10)、信号发生器(11)和功率放大器(12)；
所述激振器(1)和夹具(10)固定在夹具平台(7)上；试件(5)沿竖直方向固定在夹具(10)上；应变计(8)和标准应变获取装置(9)分别安装在试件(5)靠近夹具(10)的应力集中区域的两侧，且应变计(8)与标准应变获取装置(9)的测点相重合；阻抗头(3)安装在试件(5)距离夹具(10)的远端，阻抗头(3)与应变计(8)位于试件(5)的同侧，且阻抗头(3)与应变计(8)的中心位于试件(5)的中心线上；应变计(8)和标准应变获取装置(9)分别粘贴于试件(5)上，阻抗头(3)通过磁座(4)吸附于试件(5)上；阻抗头(3)、应变计(8)和标准应变获取装置(9)分别通过各自的线缆与信号采集仪(6)相连；激振器(1)和阻抗头(3)分别与推杆(2)的两端相连；信号发生器(11)通过线缆与功率放大器(12)相连，功率放大器(12)通过线缆与激振器(1)相连。
2.如权利要求1所述的应变计动态特性检测装置，其特征在于：标准应变获取装置(9)为压电材料制成的高精度应变传感器。
3.使用如权利要求1或2所述的应变计动态特性检测装置的应变计动态特性测试方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：获取已知激励下的应变计的响应信号；
搭建上述应变计动态特性检测装置，利用信号发生器(11)输出特征已知的激励信号，激振器(1)产生相应的激励并作用于试件(5)上磁座(4)吸附的区域，利用信号采集仪(6)获取阻抗头(3)的激励信号，与信号发生器(11)输出的激励信号进行对比，验证激励的一致性；与此同时，利用信号采集仪(6)获取同一测点的应变计(8)的应变信号和标准应变获取装置(9)的标准应变信号B(j)；
步骤2：计算当前激励下的应变计(8)获取的应变信号幅值σ和标准应变信号幅值σ0；
步骤2.1：对应变计(8)获取的应变信号进行经验模态分解，得到有限个本征模态函数(IMF)和一个残余函数之和的形式，即：
式中，x(t)为应变计(8)获取的应变信号，单位为με；
为各个IMF分量，单位为με；r(t)为残余函数，单位为με；
步骤2.2：计算各个IMF分量的能量占比：
式中，
为第i个IMF分量，单位为με；Ei(j)为第i个IMF分量
的能量参数；x(j)为应变计(8)获取的应变信号，单位为με；Ex(j)为应变计(8)获取的应变信号x(j)的能量参数；j为信号的样本点编号；N为信号的样本点总数；ER(i)为第i个IMF分量的能量占比；
步骤2.3：将各个IMF分量按照能量占比从大到小进行排序，得到新的IMF序列：
γ1(j),γ2(j)…
步骤2.4：将能量占比最大的IMF分量γ1(j)作为IMF组合信号H(j)的初始值，将IMF组合信号H(j)与利用标准应变获取装置(9)测取的标准应变信号B(j)进行相关性分析，得到第一相关系数r的初始值：
式中，Cov(H,B)为H(j)与B(j)的协方差，Var(H)和Var(B)分别为H(j)和B(j)的方差；
步骤2.5：将IMF组合信号H(j)的初始值γ1(j)和γ2(j)相加并与标准应变信号进行相关性分析，计算第二相关系数z；
与第一相关系数r对比，若第二相关系数z大于等于第一相关系数r，则将γ1(j)和γ2(j)作为新的IMF组合信号H(j)，并将第二相关系数z的值赋给第一相关系数r；若相关系数减小，则按能量占比顺序继续将H(j)与下一个IMF分量相加与标准应变信号进行相关性分析；
步骤2.6：重复步骤2.5，当所有IMF分量均经过叠加并完成相关性分析后迭代终止，筛选得到最终的IMF组合信号H(j)即为应变计(8)获取的有效应变信号G(j)；
步骤2.7：分别对筛选出的有效应变信号G(j)进行峰谷值提取并过滤掉小载荷循环，计算峰值序列均值为PT，谷值序列均值为PD，求得应变计(8)获取的有效应变信号的幅值σ为：
步骤2.8：对标准应变获取装置(9)的标准应变信号B(j)进行峰谷值提取并过滤掉小载荷循环，计算峰值序列均值为PT0，谷值序列均值为PD0，求得标准应变获取装置(9)的标准应变信号的幅值σ0为：
步骤3：时域分析
重复步骤1和步骤2，通过对比应变计(8)获取的有效应变信号幅值σ和标准应变信号幅值σ0，得到该应变测量系统在特定频率和幅值激励下的动态应变幅值特征；利用应变计(8)获取的应变信号x(j)和筛选得到的有效应变信号G(j)计算得到误差信号ε(j)：
ε(j)＝x(j)-G(j)，单位为με；
步骤4：频域分析
分别对筛选得到的有效应变信号G(j)和标准应变信号B(j)进行傅里叶变换，得到G(j)的主频为f(Hz)，B(j)的主频为f0(Hz)，对比二者的一致性得到该应变测量系统在特定频率和幅值激励下的动态应变频率特征，f和f0差值的绝对值即为应变测量系统在当前激励下的频率误差fε(Hz)；
fε＝|f-f0|，单位为Hz。
4.如权利要求3所述的应变计动态特性测试方法，其特征在于：步骤1中，所述激励信号为幅值和频率一定的交变载荷信号。
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