CN114111695B - 一种提高高温应变测量精度的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高高温应变测量精度的修正方法，包括：对高温应变传感器的灵敏度系数、热输出、零漂和蠕变参数开展标定实验；针对灵敏度系数和热输出，分别对不同温度下的标定结果进行拟合，得到不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式和热输出的曲线表达式；针对零漂和蠕变，分别选取预设时长的标定结果作为相应温度下的标定数据，然后分别对不同温度下的标定结果进行拟合，得到不同温度下的零漂的曲线表达式和蠕变的曲线表达式；基于此，建立综合修正模型；利用该综合修正模型对高温应变测量实验的测量结果进行修正。本发明通过各种补偿模型的修正，可以消除大部分温度带来的影响。

Description

一种提高高温应变测量精度的修正方法

技术领域

本发明涉及高温应变测试技术领域，特别涉及一种提高高温应变测量精度的修正方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，航空航天、石油、化工、冶金等工程领域的许多设备的关键部件工作的环境越来越复杂，高温条件下，部件的材料的物理性能也会随着发生变化，如弹性模量减小、发生高温蠕变效应和线膨胀系数增大，从而影响应力场和温度场，当温度进一步升高时，还会导致部件的失效，常常出现不同程度的损坏变形，导致部件的使用寿命缩短，严重影响设备的可靠性。高温应变计具有体积小、重量轻、测量原理简单、适应性好、操作简便等优点，在应力应变测量领域有着广泛的应用。但是在进行高温应变测量过程中存在精度低、误差大等缺点，应变计的指示应变通常会与真实结果有一定差距，因此提高高温应变的测量精度就成了目前科研工作者迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种提高高温应变测量精度的修正方法，以解决在进行高温应变测量过程中，应变计存在精度低、误差大等缺点，应变计的指示应变通常会与真实结果有一定差距的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种提高高温应变测量精度的修正方法，包括：

对高温应变传感器的灵敏度系数、热输出、零漂和蠕变参数开展标定实验；

针对灵敏度系数和热输出，分别对不同温度下的灵敏度系数和热输出的标定结果进行拟合，得到不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式和不同温度下的热输出的曲线表达式；针对零漂和蠕变，分别选取预设时长的标定结果作为相应温度下的标定数据，然后分别对零漂和蠕变的不同温度下的标定结果进行拟合，得到不同温度下的零漂的曲线表达式和不同温度下的蠕变的曲线表达式；

基于不同温度下的高温应变传感器的灵敏度系数的曲线表达式、热输出的曲线表达式、零漂的曲线表达式以及蠕变的曲线表达式，建立综合修正模型；

基于所述综合修正模型对高温应变测量实验的测量结果进行修正。

进一步地，在进行标定实验时，标定温度根据实验温度设置，由室温至最高标定温度，选定不少于5个标定温度点；

其中，最高标定温度不小于测量实验的最高工作温度。

进一步地，选取标定温度点时，在实验所设定的关注温度范围内，选取2～3个标定温度点。

进一步地，在热输出的标定实验中，同一温度级的每个高温应变传感器的热输出测量3次，然后对3次的热输出测量值计算得到平均值，作为当前温度级对应的热输出。

进一步地，在零漂的标定实验中，每隔10min记录一次实验数据，并将每次记录后的应变值和第一次所记录的应变值进行做差，以最大的差值作为当前温度下的零漂值；

在蠕变的标定实验中，每隔10min读取一次实验数据，并将每次记录的应变值与第一次记录的应变值进行做差，以最大的差值作为当前温度下的蠕变值。

进一步地，所述预设时长为1小时。

进一步地，在基于所述综合修正模型对高温应变测量实验的测量结果进行修正时，修正模型中的灵敏度系数、热输出、零漂和蠕变选取相同温度、相同时间点下的数据。

进一步地，所述综合修正模型的表达式如下：

其中，ε表示修正后的测量结果，ε′表示原始的测量结果，ε_热输出表示基于不同温度下的热输出的曲线表达式所计算出的当前温度下的热输出值，ε_零漂表示基于不同温度下的零漂的曲线表达式所计算出的当前温度下的零漂值，ε_蠕变表示基于不同温度下的蠕变的曲线表达式所计算出的当前温度下的蠕变值，K表示基于不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式所计算出的当前温度下的灵敏度系数值，K_仪表示测量实验时数据采集系统中应变仪所设定的灵敏度系数。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明采用高温应变测量精度修正模型与接触式高温应变测量方法对高温应变测量数据进行修正，降低了温度对测量精度产生的影响，大幅提高了测量结果的准确性。在接触式高温应变标定实验中，通过对温度引起的应变片的零漂、蠕变、热输出、灵敏度特性参数进行标定，根据标定数据建立修正模型，从而剔除了温度的影响，可得到真实应变值，从而达到了热机解耦的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的提高高温应变测量精度的修正方法的原理图；

图2是本发明实施例提供的提高高温应变测量精度的修正方法的流程图；

图3是高温应变测量系统原理图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本实施例提供了一种提高高温应变测量精度的修正方法，用于剔除高温应变测量过程中温度所带来的影响，得到真实应变，实现热机解耦。该方法的实现原理如图1所示，其执行流程如图2所示，包括以下步骤：

S1，对高温应变传感器的灵敏度系数、热输出、零漂和蠕变开展标定实验；

S2，针对灵敏度系数和热输出，分别对不同温度下的灵敏度系数和热输出的标定结果进行拟合，得到不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式和不同温度下的热输出的曲线表达式；针对零漂和蠕变，分别选取1小时标定结果作为相应温度下的标定数据，然后分别对零漂和蠕变的不同温度下的标定结果进行拟合，得到不同温度下的零漂的曲线表达式和不同温度下的蠕变的曲线表达式；

S3，基于不同温度下的高温应变传感器的灵敏度系数的曲线表达式、热输出的曲线表达式、零漂的曲线表达式及蠕变的曲线表达式，建立综合修正模型；

S4，基于综合修正模型对高温应变测量实验的测量结果进行修正。

具体地，在S1中，进行标定实验时，标定温度应根据实验温度设置，由室温至最高标定温度，选定不少于5个标定温度点；其中，最高标定温度应不小于测量实验的最高工作温度。而且，标定温度点的选取应考虑实验所关注的温度范围，在重点关注温度范围选取2～3个温度点，以保证修正模型的准确性。

而且，需要说明的是，高温应变片的特性参数包括灵敏度、热输出、零漂和蠕变，在高温应变测量过程中，需要对这些参数进行标定，根据标定数据建立修正模型，从而去除温度的影响，得到真实应变值，达到实验解耦的目的。

具体地，各特性参数的实验标定过程如下：

1、灵敏度系数的标定，实验标定步骤如下：

a.将应变片通过已经进行稳定性处理与固化后的粘结剂粘贴在简支梁上。

b.焊接引线固定牢固。测量设备与引起相连接。设定应变仪灵敏度系数K_仪＝2。

c.转动加载系统，在简支梁上加载500±10με的应变缓慢均匀的加载到简支梁上，得到应变计的指示应变与简支梁挠度。

d.接着将简支梁上的应变均匀卸载到零，缓慢均匀的卸载至零，反复加卸载三次并对应变计和千分表进行读数并记录。

e.进行标定高温应变片的灵敏度系数时，先将环境温度缓慢升温到测量温度，使温度控制在±1K以内，当简支梁的温度与应变计的指示应变处于稳定后，再加载载荷，加卸载三次并对应变计的指示应变和简支梁的挠度进行读数并记录。

2、热输出的标定。

在进行热输出测量的实验过程中，需要等待环境温度得到稳定后在进行测量，并记录此时的应变值和温度，直到最高温度，同一温度级的每个应变片的热输出需要测量3次，计算得到的平均值作为其热输出。

3、零漂的标定，实验标定步骤如下：

a.将应变计通过稳定性处理与固化后安装在简支梁的表面上。

b.将环境温度升高至指定温度，等待环境温度处于稳定状态后执行c。

c.不施加机械载荷直接对数据进行采集并记录。

d.时间间隔10min时记录下一次实验数据，记录6次时间为1h，并将每次记录后的应变值和第一次所记录的应变值进行做差，最大的差值为此环境温度下的应变计零漂值。

4、蠕变的标定，实验标定步骤如下：

a.将应变计通过稳定性处理与固化后安装在简支梁的表面上。

b.将环境温度升高至指定温度，等待环境温度处于稳定状态后，执行c。

c.在15s范围内将简支梁表面的应变值加载到500±10με并保持恒定。

d.在1min内测量，之后每间隔10min读取一次数据并记录，总共记录6次，时间为1h，并将每次记录的应变值与第一次应变值做差值，蠕变值为最大差值。

上述S2的实现过程如下：

根据S1的灵敏度系数实验数据求出不同温度下的灵敏度系数K₀＝K_仪ε_示/ε₀。

其中，K₀为应变计在室温下的灵敏度系数，K_仪为应变仪所设定的灵敏度系数，ε₀为被测构件标定应变，ε_示为应变仪所测量到的指示应变。

接着对所得到的灵敏度系数数据通过拟合，得到不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式K＝7.813×10^-12T⁴-2.186×10^-8T³+2.073^-5T²-8.605×10^-3T+3.736。

对S1中所得到的热输出数据通过拟合，得到不同温度下的高温应变片热输出的曲线表达式:ε_热输出＝-8.451^-5T³+0.190T²-100.978T+16359.673。

对S1中所得到的零漂数据通过拟合，得到不同温度下的高温应变片零漂的曲线表达式:ε_零漂＝0.0018Tx+0.0032x²+1.4654^-5T²-7.8523^-4x-0.0336T+16.3991。

对S1中所得到的蠕变数据通过拟合，得到不同温度下的高温应变片蠕变的曲线表达式:ε_蠕变＝0.0038Tx-0.0411x²-1.6711^-4T²+2.2993x+0.4087T-192.3665。

至此，通过S1进行的标定实验以及S2对数据的处理结果，得到了应变片不同特性参数对高温应变测量影响规律，以此作为各个特性参数的误差模型，也即：灵敏度系数修正模型、热输出修正模型、零漂修正模型和蠕变修正模型。

上述S3具体为：对各特性参数的修正模型进行整合，建立整体误差修正模型，从而对高温应变测量得到的数据进行修正，剔除热输出、零漂和蠕变对应变测量带来的影响，并且对灵敏度系数进行修正。综合修正模型的表达式如下：

其中，ε表示修正后的测量结果，ε′表示原始的测量结果，ε_热输出为基于不同温度下的热输出的曲线表达式所计算出的当前温度下的热输出值，ε_零漂为基于不同温度下的零漂的曲线表达式所计算出的当前温度下的零漂值，ε_蠕变为基于不同温度下的蠕变的曲线表达式所计算出的当前温度下的蠕变值，K为基于不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式所计算出的当前温度下的灵敏度系数值，K_仪为测量实验时数据采集系统中设定的灵敏度系数，可由实验人员自行设置。

上述S4对测量结果进行修正的过程具体为：

S41，进行高温应变测量实验，保存应变、温度、时间数据；

其中，高温应变测量系统原理如图3所示，进行数据采集的方式为：在应变测点位置安装热电偶并接入测量系统，将温度数据进行同步采集。

试验过程如下：

S411，高温应变片按照固化及稳定性处理后安装在被测构件的表面上。

S412，将焊接引线的一端与应变仪进行连接，并调试完后。

S413，被测构件在温度载荷和机械载荷作用下产生应变。

S414，记录下高温应变测量系统的指示应变值。

S42，根据S3所得到的综合修正模型、S41所得到的应变测量数据结果(应变、温度以时间数据)，通过综合修正模型对测量结果进行修正，得到修正结果。

其中，在进行修正时，修正模型中的灵敏度系数、热输出、零漂、蠕变应选取相同温度、相同时间点下的数据进行修正。

将上面所得到的标定数据ε_热输出、ε_零漂、ε_蠕变、K带入综合修正模型能够得到：

至此，本实施例实现了高温应变测量的热机解耦。

综上，本实施例提供了一种提高高温应变测量精度的修正方法，通过该方法可直接计算在进行高温应变测量的过程中剔除由于温度变化造成的高温应变片特性参数变化所带来的影响，从而得到真实应变值，实现热机解耦的目的。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (4)

1.一种提高高温应变测量精度的修正方法，其特征在于，包括：

对高温应变传感器的灵敏度系数、热输出、零漂和蠕变参数开展标定实验；

针对灵敏度系数和热输出，分别对不同温度下的灵敏度系数和热输出的标定结果进行拟合，得到不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式和不同温度下的热输出的曲线表达式；针对零漂和蠕变，分别选取预设时长的标定结果作为相应温度下的标定数据，然后分别对零漂和蠕变的不同温度下的标定结果进行拟合，得到不同温度下的零漂的曲线表达式和不同温度下的蠕变的曲线表达式；

基于不同温度下的高温应变传感器的灵敏度系数的曲线表达式、热输出的曲线表达式、零漂的曲线表达式以及蠕变的曲线表达式，建立综合修正模型；

基于所述综合修正模型对高温应变测量实验的测量结果进行修正；

在进行标定实验时，标定温度根据实验温度设置，由室温至最高标定温度，选定不少于5个标定温度点；最高标定温度不小于测量实验的最高工作温度；

选取标定温度点时，在实验所设定的关注温度范围内，选取2～3个标定温度点；

在热输出的标定实验中，同一温度级的每个高温应变传感器的热输出测量3次，然后对3次的热输出测量值计算得到平均值，作为当前温度级对应的热输出；

所述综合修正模型的表达式如下：

其中，ε表示修正后的测量结果，ε′表示原始的测量结果，ε_热输出表示基于不同温度下的热输出的曲线表达式所计算出的当前温度下的热输出值，ε_零漂表示基于不同温度下的零漂的曲线表达式所计算出的当前温度下的零漂值，ε_蠕变表示基于不同温度下的蠕变的曲线表达式所计算出的当前温度下的蠕变值，K表示基于不同温度下的灵敏度系数的曲线表达式所计算出的当前温度下的灵敏度系数值，K_仪表示测量实验时数据采集系统中应变仪所设定的灵敏度系数；

灵敏度系数的标定步骤如下：

a.将应变片通过已经进行稳定性处理与固化后的粘结剂粘贴在简支梁上；

b.焊接引线固定牢固；测量设备与引起相连接；设定应变仪灵敏度系数K_仪＝2；

c.转动加载系统，在简支梁上加载500±10με的应变缓慢均匀的加载到简支梁上，得到应变计的指示应变与简支梁挠度；

d.接着将简支梁上的应变均匀卸载到零，缓慢均匀的卸载至零，反复加卸载三次并对应变计和千分表进行读数并记录；

e.进行标定高温应变片的灵敏度系数时，先将环境温度缓慢升温到测量温度，使温度控制在±1K以内，当简支梁的温度与应变计的指示应变处于稳定后，再加载载荷，加卸载三次并对应变计的指示应变和简支梁的挠度进行读数并记录；

热输出的标定过程如下：

在进行热输出测量的实验过程中，需要等待环境温度得到稳定后在进行测量，并记录此时的应变值和温度，直到最高温度，同一温度级的每个应变片的热输出需要测量3次，计算得到的平均值作为其热输出。

2.如权利要求1所述的提高高温应变测量精度的修正方法，其特征在于，在零漂的标定实验中，每隔10min记录一次实验数据，并将每次记录后的应变值和第一次所记录的应变值进行做差，以最大的差值作为当前温度下的零漂值；

在蠕变的标定实验中，每隔10min读取一次实验数据，并将每次记录的应变值与第一次记录的应变值进行做差，以最大的差值作为当前温度下的蠕变值。

3.如权利要求1所述的提高高温应变测量精度的修正方法，其特征在于，所述预设时长为1小时。

4.如权利要求1所述的提高高温应变测量精度的修正方法，其特征在于，在基于所述综合修正模型对高温应变测量实验的测量结果进行修正时，修正模型中的灵敏度系数、热输出、零漂和蠕变选取相同温度、相同时间点下的数据。

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