CN111678799B - 一种应用于应变标定装置的位移加载系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于应变标定装置的位移加载系统，该系统包括应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元，其中应变装配单元包括支持筒、标定梁、梁固定件和梁对中件，位移加载单元包括加载杆、传动机构、高精度步进电机和动密封件，位移控制单元包括激光位移传感器、变送器、控制器和上位机。该系统设计的梁固定件和梁对中件，确保了标定梁安装的垂直对中精度，设计的动密封件可实现在高温高压下的位移加载，采用的高精度步进电机进行位移加载以及激光位移传感器实时测量和反馈控制，可实现高温高压工况下标定装置的位移精确加载。

Description

一种应用于应变标定装置的位移加载系统
技术领域
本发明涉及高温高压应变标定技术领域，尤其涉及一种应用于应变标定装置的位移加载系统。
背景技术
近些年来，随着科学技术迅猛发展、生产力水平空前提高，对测量精度和数据可靠性提出更高要求。应变是指在外力或非均匀温度场等因素作用下结构局部的相对变形，通常采用应变片测试结构应变。因此，应变片被广泛应用于结构变形的检测。
在常温常压下，采用应变片厂家提供的灵敏度参数进行设定，测得的应变具有很好的真实性和可靠性。然而，在航空、航天、核电等行业，泵、管道和支撑等结构的工作环境多为高温高压，同时还需考虑防辐射和防水等特殊情况，对应变测试提出更高要求。研究表明，在较长时间的高温或高压测试下，应变的热输出以及零漂和蠕变等特性都会发生较大改变，直接采用厂家给定的参数值，将导致很大的测试误差。因此，应变片在使用前需进行相关的标定。为获取应变片在高温或高压下的特性，需要建立一套高温高压水下传感器标定装置，位移加载系统作为该装置的关键部分。
申请号为201610953071.2的中国发明专利“一种用于室温至1800℃高温应变校准标定装置”公布了一种由高温应变实验炉、温控系统和高温应变测试系统组成的标定装置，可测量高温工况下应变片的性能参数随温度变化特性等，仅考虑高温下力加载，加载精度较差。《刘梓才，卢琰琰，何承义.高温应变片标定装置设计[J].原子能科学技术2008,42(Suppl):704-706》设计了一套高温应变标定装置，有位移加载和力加载两种方式，其位移加载采用螺旋式加载器，受人为操作影响，其加工精度未能得到有效保证。
从上可知，上述的应变标定装置主要针对高温环境，未考虑高压水下应变的特性，且多采用力加载，位移加载也是手动式。需要进一步对高压水下加载密封性、位移加载精度进行相关研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的应变标定装置存在如下不足：仅考虑了高温，未考虑高压环境，更不用考虑加载系统的密封性；高温下的力加载系统实现较为简单，载荷损失较为严重；位移加载系统仅为高温环境下手动式加载，受人为因素影响较大，加载进度较差。
本发明提供了解决上述问题的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，本发明设计一套在高温高压下位移加载系统，利用支持筒、梁固定件和梁对中件来安装调试标定梁的对中精度，将应变片贴在标定梁上，加载杆作用在标定梁的端部，还需考虑加载杆与高温高压装置的动密封，进一步通过高精度步进电机来控制加载的位移；在保证位移加载精度的情况下，测试应变片在高温高压下的特性；高精度步进电机加载位移通过成熟的控制算法来实现，同时利用激光位移传感器测量加载的位移作为控制反馈。
本发明通过下述技术方案实现：
一种应用于应变标定装置的位移加载系统，包括应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元，所述应变装配单元连接位移加载单元，位移加载单元连接位移控制单元；
所述应变装配单元设于高压釜内，通过所述高压釜为标定装置提供高温高压环境；所述应变装配单元包括支持筒、标定梁、梁固定件和梁对中件，所述支持筒设于高压釜内，所述标定梁垂直设于支持筒内，所述标定梁顶部设有梁对中件，所述梁固定件固定安装在支持筒底部；所述应变装配单元通过梁固定件、梁对中件和支持筒将标定梁安装于高压釜内，确保标定梁安装的垂直度以及防止外力作用下产生转动；应变片粘贴在标定梁的工作区；
所述位移加载单元通过外力作用于所述应变装配单元的标定梁上，所述位移控制单元测量所述位移加载单元移动的位移量，通过反馈控制来计算所述位移加载单元的加载量。
基于现有的应变标定装置仅考虑了高温，未考虑高压环境，更不用考虑加载系统的密封性；高温下的力加载系统实现较为简单，载荷损失较为严重；位移加载系统仅为高温环境下手动式加载，受人为因素影响较大，加载进度较差。本发明通过结合应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元来在特定的航空、航天、核电等行业高温高压环境下的精准位移加载，应变装配单元的梁固定件、梁对中件和支持筒将标定梁安装在高压釜内，确保标定梁安装的垂直度；位移加载单元通过外力作用于所述应变装配单元的标定梁上，位移控制单元测量所述位移加载单元移动的位移量，通过反馈控制来计算所述位移加载单元的加载量。本发明可保证标定梁安装的对中精度，以及位移的加载精度。
可以将本发明系统集成在目前已有的高温标定装置中，同时增加高压环境，设计加载杆与高压釜的动密封件，可构成一套高温高压水下传感器标定装置，可对外进行标定工作，建立高温高压下应变标定的行业标准。另外，将本发明所述的应变装配单元换成其它结构，可实现其它传感器在高温高压下位移加载，加载精度高，具有广泛的应用前景。
进一步地，所述位移加载单元包括加载杆、传动机构、高精度步进电机，所述加载杆一端连接标定梁顶部、另一端连接传动机构，所述传动机构连接高精度步进电机；
所述高精度步进电机产生预先设定的旋转量，通过传动机构将转动量转化为向前或后的转动量，达到设定的位移加载量，进一步致使标定梁产生变形，完成标定装置的位移加载。
进一步地，所述高压釜、支持筒上部均设有对应的通孔，所述加载杆穿过通孔实现对标定梁的位移加载。
进一步地，所述位移加载单元还包括动密封件，所述动密封件设于所述高压釜的通孔处，实现加载杆移动时整个标定装置的密封性。
进一步地，所述动密封件采用螺栓硬密封的形式紧固在高压釜的通孔处，所述动密封件包括填料合、密封圈和压紧盖，在填料合远端内部安装聚四氟乙烯材质的密封垫，实现加载杆移动时整个标定装置的密封性。
进一步地，所述位移控制单元包括激光位移传感器、变送器、控制器及上位机，在加载杆上设置有靶，所述靶垂直所述加载杆；
所述靶用于激光位移传感器的测量，采集的信号通过变送器转化为电压信号，传送给控制器及上位机。
进一步地，所述控制器及上位机内包括A/D采集模块、数字信号处理模块和D/A信号输出模块，所述数字信号处理模块根据目前加载杆给进的位移，通过相应的控制算法，发出指令驱动高精度步进电机产生特定旋转量，从而更进一步保证位移加载的精度。
进一步地，所述梁固定件包括第一螺钉、垫圈和压块，通过梁固定件把标定梁安装在支持筒底部；所述标定梁下端设有多个开孔，支持筒下端设有对应的开孔，且支持筒下端内部设有U形槽，所述槽的尺寸大于标定梁下端尺寸，保证标定梁能安装在U形槽内；
所述梁对中件包括端塞、连接螺母、滑块和第二螺钉，所述端塞具有内螺纹通孔，与加载杆配合，连接螺母将端塞与滑块相连，滑块具有向上和向下活动的余量；梁对中件通过第二螺钉与标定梁连接。
进一步地，所述高压釜外接温度控制系统和压力加载系统，满足压力容器的设计标准，为应变标定装置提供高温高压以及水下环境。
进一步地，所述高压釜包括釜盖与釜体，且釜盖与釜体之间采用密封圈进行静密封。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明设计了梁固定件和梁对中件，确保了标定梁安装的垂直对中精度；设计了动密封件，可实现在高温高压下的位移加载；采用高精度步进电机进行位移加载以及激光位移传感器实时测量和反馈控制，进一步保证加载的精度；
2、将本发明系统集成在目前已有的高温标定装置中，同时增加高压环境，设计加载杆与高压釜的动密封件，可构成一套高温高压水下传感器标定装置，可对外进行标定工作，建立高温高压下应变标定的行业标准。另外，将本发明所述的应变装配单元换成其它结构，可实现其它传感器在高温高压下位移加载，加载精度高，具有广泛的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种应用于应变标定装置的位移加载系统整体结构示意图。
图2为本发明中支持筒及标定梁的安装示意图。
图3为本发明中梁对中件结构示意图。
图4为本发明中位移控制单元框图
附图中标记及对应的零部件名称：
1-高压釜，2-支持筒，3-标定梁，4-梁对中件，5-梁固定件，6-动密封件，7-加载杆，8-传动机构，9-高精度步进电机，10-控制器及上位机，11-变送器，12-激光位移传感器，13-靶，14-传感器安装支架，15-第一螺钉，16-垫圈，17-压块，18-端塞，19-连接螺母，20-滑环，21-第二螺钉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1至图4所示，本发明一种应用于应变标定装置的位移加载系统，该系统包括应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元，所述应变装配单元连接位移加载单元，位移加载单元连接位移控制单元；
所述应变装配单元为被标定传感器提供工作环境和外部载荷，所述位移加载单元通过加载杆7对所述应变装配单元的标定梁3实现位移加载，所述位移控制单元测量靶13移动的位移量，通过反馈控制来计算高精度步进电机9的加载量。
如图1至图3所示，所述应变装配单元放置于高压釜1中，高压釜1连接温度控制系统和压力加载系统，高压釜1的釜盖与釜体采用密封圈进行静密封，同时高压釜1满足压力容器的设计标准，为标定装置提供高温高压以及水下等环境。所述应变装配单元包括支持筒2、标定梁3、梁固定件5和梁对中件4，所述支持筒2设于高压釜1内，所述标定梁3垂直设于支持筒2内，所述标定梁3顶部设有梁对中件4，所述梁固定件5固定安装在支持筒2底部；所述应变装配单元通过梁固定件5、梁对中件4和支持筒2将标定梁3安装于高压釜1内，确保标定梁3安装的垂直度以及防止外力作用下产生转动；应变片粘贴在标定梁3的工作区。
所述高压釜1、支持筒2上部均设有对应的通孔，所述加载杆7穿过通孔实现对标定梁3的位移加载。所述标定梁3的形状为上底边小于下底边的梯型体。
所述梁固定件5包括第一螺钉15、垫圈16和压块17。梁固定件5主要目的将标定梁3安装在支持筒2底部，同时保证标定梁3安装的垂直度；标定梁3下端有多个开孔，支持筒2下端也有对应的开孔，且支持筒2下端内部有U形槽，槽的尺寸大于标定梁3下端尺寸，保证标定梁3能安装在U形槽内，然后第一螺钉15依次通过垫圈16、支持筒开孔、压块17将标定梁3固定在支持筒底部。
所述的梁对中件4安装在标定梁3上，梁对中件4有内螺纹的通孔，加载杆7前段也有外螺纹，通过内外螺纹之间的配合实现位移加载，加载杆7作用在标定梁3两斜边交汇点处。梁对中件4包括端塞18、连接螺母19、滑块20和第二螺钉21，端塞18具有内螺纹通孔，与加载杆7配合，连接螺母19将端塞18与滑块20相连，滑块20具有向上和向下活动的余量，梁对中件4通过第二螺钉21与标定梁3(上端具有小的开孔)连接。在位移加载过程中，由于标定梁3的变形，梁对中件4和加载杆7具有一定的下上移动量，保证外力能作用在加载杆7上，同时防止外力作用下产生转动。将安装好的标定梁3和支持筒2放置于高压釜1内，应变片贴在标定梁3工作区。
可选的，上述是应变标定所需要的应变装配单元，也可将标定梁3和支持筒2换成其它结构，实现其它传感器在高温高压下的位移加载。
所述位移加载单元包括加载杆7、传动机构8、高精度步进电机9，所述加载杆7一端连接标定梁3顶部、另一端连接传动机构8，所述传动机构8连接高精度步进电机9；所述高精度步进电机9产生预先设定的旋转量，通过传动机构8将旋转量转化为驱动加载杆7的向前或后的转动量，进一步致使标定梁3产生变形，完成标定装置的位移加载。
位移控制单元给高精度步进电机9指令，电机运行并产生一定的旋转量，通过传动机构8将旋转量转化为向前或后的转动量，设定其传动比为λ，加载杆7产生对应的位移量，进一步致使标定梁3产生变形，完成标定装置的位移加载。
特别地，加载杆7需要穿过高压釜1表面及保温层作用在标定梁3上。因此，为了确保试验过程中高压釜1内的压力稳定，设计了一个动密封件6；动密封件6由填料合、密封圈和压紧盖等组成，采用螺栓硬密封的形式紧固在高压釜1的通孔处，在填料合远端内部安装聚四氟乙烯材质的密封垫，实现加载杆7移动时整个装置的密封性。高压釜1内高温通过填料合在远端密封垫处温度已下降至150℃以下，而聚四氟乙烯可耐200℃高温，可有效消除温度对密封性能的影响。
所述位移控制单元包括激光位移传感器12、变送器11、控制器及上位机10，在加载杆7上设置有靶13，所述靶13垂直所述加载杆7；同时根据靶13的高度设计一个传感器安装支架14，通过激光位移传感器12测量靶13移动的位移量。如图4所示，激光位移传感器12与变送器11耦连，将采集的信号转化为电压信号，传送给控制器。控制器内有A/D采集模块，数字信号处理模块和D/A信号输出模块，A/D采集模块完成模拟信号转化为数字信号，数字信号处理模块可用DSP或FPGA等核心处理器等实现，根据目前加载杆7给进的位移，通过相应的控制算法，计算出还需要加载的位移量，D/A信号输出模块将数字信号转化为模拟信号，驱动高精度步进电机9产生特定旋转量，从而更进一步保证位移加载的精度。
具体加载时：
根据要求，某次试验需要加载位移量为a，控制器给高精度步进电机9发出一个指令，当高精度步进电机9的转动圈数为n，根据传动比λ，可计算加载杆7给进的位移为：
y＝2πrnλ
其中r为高精度步进电机9转动半径。激光位移传感器12测量加载杆7靶13前进的位移量为x，并传送给控制器，数字信号处理模块实时地计算出加载的误差信号e为：
e＝a-x
控制器根据相应的控制算法，计算出加载杆7还需要加载的位移量，实时给高精度步进电机9发出指令控制其旋转量，当误差小于设定值时，控制器给出指令，结束加载。
工作原理是：
通常厂家只提供常温常压下应变片的灵敏度系数，高温高压下应变片灵敏度系数未知，然而在高温高压下应变片的特性发生较大变化。为获取应变片在高温高压下的特性，需要建立一套高温高压水下传感器标定装置，位移加载系统作为该装置的关键部分，下面以高温高压下应变片的灵敏度系数标定为例：
(1)假设厂家提供常温(20℃)下的灵敏度系数K0，基于本专利的应变标定装置，在常温常压下，提供位移加载量S0，获取应变片输出的应变值为ε0；
(2)改变应变片的工作环境，假设将应变标定装置的高压釜1温度调整至50℃、100℃、150℃、200℃……，待温度稳定后，提供上述的加载位移量S0，分别获取不同温度下变片输出的应变值为ε1、ε2、ε3、ε4……；
(3)在相同的位移加载量下，根据不同温度下应变片的输出值ε1、ε2、ε3、ε4……，与常温(20℃)下应变片的输出值为ε0的比例关系，推导出不同温度下应变片的灵敏度系数K(常温下灵敏度系数为K0)；
(4)建立不同温度T下应变片的灵敏度系数K；
本发明的设计思想就是设计一套精准的应用于应变标定装置的位移加载系统，本发明通过结合应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元来在特定的航空、航天、核电等行业高温高压环境下的精准位移加载，应变装配单元的梁固定件5、梁对中件4和支持筒2将标定梁3安装在高压釜1内，确保标定梁3安装的垂直度；位移加载单元的高精度步进电机9产生预定的旋转量，通过传动机构8将旋转量转化为向前或后的转动量，驱动加载杆7产生对应的位移量；位移控制单元由激光位移传感器12、变送器11、控制器和上位机等构成，在加载杆7上设计一个靶13，激光位移传感器12测量靶13的移动量，传送给控制器，控制器内置相应的控制算法，发出指令驱动高精度步进电机9产生特定旋转量。本发明可保证标定梁3安装的对中精度，以及位移的加载精度。
可以将本发明系统集成在目前已有的高温标定装置中，同时增加高压环境，设计加载杆7与高压釜1的动密封件6，可构成一套高温高压水下传感器标定装置，可对外进行标定工作，建立高温高压下应变标定的行业标准。另外，将本发明所述的应变装配单元换成其它结构，可实现其它传感器在高温高压下位移加载，加载精度高，具有广泛的应用前景。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，包括应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元，所述应变装配单元连接位移加载单元，位移加载单元连接位移控制单元；
所述应变装配单元设于高压釜（1）内，通过所述高压釜（1）为标定装置提供高温高压环境；所述应变装配单元包括支持筒（2）、标定梁（3）、梁固定件（5）和梁对中件（4），所述支持筒（2）设于高压釜（1）内，所述标定梁（3）垂直设于支持筒（2）内，所述标定梁（3）顶部设有梁对中件（4），所述梁固定件（5）固定安装在支持筒（2）底部；所述应变装配单元通过梁固定件（5）、梁对中件（4）和支持筒（2）将标定梁（3）安装于高压釜（1）内，确保标定梁（3）安装的垂直度以及防止外力作用下产生转动；应变片粘贴在标定梁（3）的工作区；
所述位移加载单元通过外力作用于所述应变装配单元的标定梁（3）上，所述位移控制单元测量所述位移加载单元移动的位移量，通过反馈控制来计算所述位移加载单元的加载量；
所述位移加载单元包括加载杆（7）、传动机构（8）、高精度步进电机（9），所述加载杆（7）一端连接标定梁（3）顶部、另一端连接传动机构（8），所述传动机构（8）连接高精度步进电机（9）；
所述高精度步进电机（9）产生预先设定的旋转量，通过传动机构（8）将旋转量转化为加载杆（7）向前或后的转动量，达到设定的位移加载量，进一步致使标定梁（3）产生变形，完成标定装置的位移加载；
所述高压釜（1）、支持筒（2）上部均设有对应的通孔，所述加载杆（7）穿过通孔实现对标定梁（3）的位移加载；
所述位移加载单元还包括动密封件（6），所述动密封件（6）设于所述高压釜（1）的通孔处，实现加载杆（7）移动时整个标定装置的密封性。
2.根据权利要求1所述的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，所述动密封件（6）采用螺栓硬密封的形式紧固在高压釜（1）的通孔处，所述动密封件（6）包括填料合、密封圈和压紧盖，在填料合远端内部安装聚四氟乙烯材质的密封垫，实现加载杆移动时整个标定装置的密封性。
3.根据权利要求1所述的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，所述位移控制单元包括激光位移传感器（12）、变送器（11）、控制器及上位机（10），在加载杆（7）上设置有靶（13），所述靶（13）垂直所述加载杆（7）；
所述靶（13）用于激光位移传感器（12）的测量，采集的信号通过变送器（11）转化为电压信号，传送给控制器及上位机（10）。
4.根据权利要求3所述的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，所述控制器及上位机（10）内包括A/D 采集模块、数字信号处理模块和D/A信号输出模块，所述数字信号处理模块根据目前加载杆（7）给进的位移，通过相应的控制算法，发出指令驱动高精度步进电机（9）产生特定旋转量，从而更进一步保证位移加载的精度。
5.根据权利要求1所述的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，所述梁固定件（5）包括第一螺钉（15）、垫圈（16）和压块（17），通过梁固定件（5）把标定梁（3）安装在支持筒（2）底部；所述标定梁（3）下端设有多个开孔，支持筒（2）下端设有对应的开孔，且支持筒（2）下端内部设有U形槽，所述槽的尺寸大于标定梁（3）下端尺寸，保证标定梁（3）能安装在U形槽内；
所述梁对中件（4）包括端塞（18）、连接螺母（19）、滑块（20）和第二螺钉（21），所述端塞（18）具有内螺纹通孔，与加载杆（7）配合，连接螺母（19）将端塞（18）与滑块（20）相连，滑块（20）具有向上和向下活动的余量；梁对中件（4）通过第二螺钉（21）与标定梁（3）连接。
6.根据权利要求1所述的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，所述高压釜（1）外接温度控制系统和压力加载系统，满足压力容器的设计标准，为应变标定装置提供高温高压以及水下环境。
7.根据权利要求1所述的一种应用于应变标定装置的位移加载系统，其特征在于，所述高压釜（1）包括釜盖与釜体，且釜盖与釜体之间采用密封圈进行静密封。
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