CN114508995A - 一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，属于应变电测量计量测试技术领域。本发明通过稳定可靠的高速电子开关，产生周期性的具有高抗干扰特性的模拟大应变原始电阻阶跃波形，产生原始的高抗干扰模拟大应变阶跃激励，通过步进衰减器对该应变波形进行步进调控，以产生任意幅度的模拟阶跃应变激励响应信号，该应变激励响应信号与高抗干扰模拟大应变具有相同的高抗干扰特性；以软件等效采样方式在低采样速率情况下实现等效高速采样，获得有效的阶跃响应特性曲线；结合动态校准理论和方法，实现电阻应变仪动态特性的计量校准。

Description

一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，属于应变电测量计量测试技术领域。

背景技术

应变是指固体及结构承受力、力矩、压力等载荷产生的变形行为，以及温度等环境变化产生的热胀冷缩的变形行为。在常温应变测量中，这种变形又特指弹性形变，即形变程度与载荷的变化呈单调对应关系，当载荷消失后，形变即消失。而应变量是定量衡量这类应变大小的一种物理量值。

对于应变测量，应用最广泛、准确度最高的电阻式应变测量，其计量校准问题一直没能彻底解决，主要是存在“静标动用”问题。

线性测量系统动态特性校准中，普遍使用特征参量可溯源的动态激励源进行，如正弦波、阶跃波形、冲击波形等动态激励源。电阻应变则一直使用电阻进行模拟校准，而稳定的电阻随时间变化的特性很难在工程上实现。

专利“一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置(专利号：ZL201711295828.4)”提出了一种阶跃电阻激励源装置，解决了电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量问题，其仍然存在的问题是，受电路原理的限制，每个装置的应变桥路只能提供一个幅度的阶跃应变模拟量值，不同阶跃幅度的应变量值需要不同的桥路电阻实现。因而在一个仪器内能实现的阶跃应变幅度量值激励数量受到所用电阻数量的限制，不易做到很多，较难实现任意阶跃应变幅度的计量校准，对于希望有成百上千个不同阶跃幅度的激励情况更加难以胜任。而且，为了达到高速切换的目的，高速电子开关切换中，控制脉冲的预冲和过冲都非常大，由此导致的开关特性，在面对大应变阶跃幅度时，如4000με以上的阶跃幅度时，其开关特性造成的干扰较小，表现出比较高的抗干扰特性，且阶跃幅值越高，其波形质量越好、抗干扰能力越强。而在几十、几百微应变以下的小幅度阶跃应变模拟时，预冲与过冲震荡失真较大，波形过冲甚至超过100％，无法直接用于计量校准。

高频应变测量与校准中，涉及到的应变量值多属于微小应变量值，并且具有频率越高，应变幅度量值越小的趋势。因此，制约了专利“一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置(专利号：ZL201711295828.4)”在高频宽、低量程电阻应变仪计量校准中的应用。

发明内容

针对专利“一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性测量方法及装置(专利号：ZL201711295828.4)”存在的技术问题，尤其针对该专利在小阶跃幅度情况下，阶跃波形过冲震荡失真较大，无法正常进行计量校准的问题，以及其阶跃幅度受电路原理结构的限制，不能任意可控的弱点。本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，能够实现高抗干扰且幅值任意可控的电阻应变仪阶跃响应校准，主要优点如下：(一)通过稳定可靠的高速电子开关，按照约定规律控制，产生周期性的具有高抗干扰特性的模拟大应变原始电阻阶跃波形，作为原始的高抗干扰模拟大应变阶跃激励，然后，通过步进衰减器对该应变波形进行步进调控，以产生任意幅度的模拟阶跃应变激励响应信号，该模拟阶跃应变激励响应信号与高抗干扰模拟大应变具有相同的高抗干扰特性。(二)以软件等效采样方式在低采样速率情况下实现等效高速采样，从而获得有效的阶跃响应特性曲线，结合动态校准理论和方法，实现电阻应变仪动态特性的计量校准。(三)通过本发明能够实现电阻应变仪任意幅度下动态特性的计量校准，结束应变测量系统中一直存在的“静标动用”问题。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置，包括桥臂电阻(R₁、R₂、R₃、R₄)、桥臂并联电阻R_x、高速电子开关、方波信号发生器、步进衰减器、应变采集系统。桥臂电阻(R₁、R₂、R₃、R₄)构成应变测量桥路ACBD模拟电路，四个桥臂电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R。高速电子开关用于以桥臂并联电阻R_x通断方式变化桥臂电阻，产生阶跃电阻激励信号。方波信号发生器，用于控制高速电子开关的通断。步进衰减器通过调整步进衰减器的衰减量对阶跃应变响应电压信号e₀幅度进行衰减，从而模拟更小幅度的阶跃应变值e。应变采集系统用于测量应变测量桥路ACBD和步进衰减器共同作用产生的阶跃应变模拟量值ε。

通过稳定可靠的高速电子开关，按照约定规律控制，产生周期性的具有高抗干扰特性的模拟大应变原始电阻阶跃波形，作为原始的高抗干扰模拟大应变阶跃激励，然后，通过步进衰减器对该应变波形进行步进调控，产生任意幅度的模拟阶跃应变激励响应信号，该模拟阶跃应变激励响应信号与高抗干扰模拟大应变具有相同的高抗干扰特性。以软件等效采样方式在低采样速率情况下实现等效高速采样，获得有效的阶跃响应特性曲线，结合动态校准理论和方法，实现电阻应变仪动态特性的计量校准。

本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置的工作方法为：

步骤一：四个桥臂电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，按照被校量程选取桥臂并联电阻R_x阻值，以控制所设置的应变量程范围。桥臂电阻R₄并联电阻R_x后桥臂CB的电阻为：

ΔR₄＝R₄-R'₄ (2)

AB两端接入供桥电压E，在CD两端获得的电压为e₀。经过步进衰减器，在C’D’两端测量获得电压为e。

则由桥臂电阻R₄并联电阻R_x后的变化产生的原始应变ε₀为：

其中，K_s称为应变率，是显示应变片灵敏度的常数，一般应变片用铜镍合金和镍铬合金的应变灵敏系数大约为2。ε₀为应变桥ACBD产生的原始应变。

通过衰减倍数为G_d的步进衰减器，在C’D’两端进行测量获得电压e。

其中，G_s为步进衰减器和与步进衰减器相连接的CD两端应变桥路等效电阻R_q不匹配造成的衰减系数。若步进衰减器输入电阻为R_d，则：

则，获得的应变桥ACBD与步进衰减器共同构成的复合应变桥A’C’B’D’模拟的应变量值ε。

其中，ε为应变桥ACBD和步进衰减器构成的复合应变桥A’C’B’D’产生的模拟应变。

步骤二：设置被校准的应变数据采集系统的通道量程、通道采样时间间隔T_s，每通道采样数据个数N。

步骤三：使用方波信号源产生周期为T_g＝m×T_s+T的方波信号控制高速电子开关的通断，(T<<T_s，m为正整数)，使得CB间的桥臂电阻在电阻R₄和电阻R₄与电阻R_x的并联电阻之间周期性跳变，产生阶跃电阻ΔR₄＝R₄-R'₄。由此产生式(3)所述幅度的原始阶跃应变ε₀。经过步进衰减器，进而在C’D’端产生式(7)所述幅度为ε的模拟阶跃应变的应变响应信号e。

步骤四：启动应变数据采集系统，对C’D’两端的信号e执行采集，获得应变采样序列x_1,1,x_1,2,…,x_1,m,x_2,1,x_2,2,…,x_2,m,…,x_n,1,x_n,2,…，将应变采样序列每m个采样点抽取1个数据保留，构成等间隔筛选序列x_i(i＝1，…，n)。则该序列即为等效采样时间间隔为T的应变等效采样序列，通过微调T_g产生任意等效采样间隔T的采样序列。

步骤五：通过选取采样序列长度n使得nT>T_g，获得被校准的应变数据采集系统的等效采样间隔为T的应变阶跃响应序列，作为其阶跃应变响应曲线。对该阶跃响应曲线进行时域分析，获得阶跃响应特性，实现电阻应变仪动态特性的计量校准，所述阶跃响应特性包括上升时间。

作为优选，当m＝1时，本发明简化为拍频方法，按照上述步骤一至步骤五获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为T_s的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。

有益效果：

1、本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，具有结构简捷、容易实现的特点，通过具有高抗干扰特性的单一固定的大阶跃应变量值，以步进衰减方式，实现具有高抗干扰特征的幅度任意可控的各种小阶跃应变波形激励源。避免小阶跃应变波形失真过大、信噪比过低、不易实现校准应用的问题；同时也能够避免阶跃电阻应变桥方法幅度量值比较单一、只能进行少数几个阶跃幅度的计量校准，以及不同幅度阶跃波形差异较大的问题，能够在更宽频率范围、更宽幅度范围内，对各种电阻应变仪阶跃响应特性进行激励校准。

2、本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，利用应变测量电桥是在恒定幅度激励信号情况下，提取测量电压幅度的比例测量特点，以在测量电路中插入宽带步进衰减器的方式，可以在同一个较大阶跃应变原始激励的基础上，获得任意衰减比例的阶跃应变幅度，为任意变化阶跃应变幅度奠定基础。

3、本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，通过仔细构造整数个被校准应变采集系统的采样间隔与激励方波信号周期之间的细微差异，以舍去中间点的方式，获得等效采样间隔任意小的采样序列，从而能够获得阶跃响应过渡过程远小于实时采样间隔的应变采集系统的动态响应特性。

4、本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，采用软件构造式等效采样方法，对于硬件系统没有任何额外要求，因而可以适用于任意硬件采样系统，为采样率较低且不能任意可调的应变数据采集系统动态特性校准提供解决途径。本发明与硬件解决途径相比，拥有更为广泛的应用前景。

5、本发明公开的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置及方法，当m＝1时，本发明方法简化为拍频方法，按照上述过程获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为T_s的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。

附图说明

图1为本发明的方案结构示意图；

其中，1—桥臂电阻R₁、2—桥臂电阻R₂、3—桥臂电阻R₃、4—桥臂电阻R₄、5—桥臂并联电阻R_x、6—高速电子开关、7—方波信号发生器、8—步进衰减器、9—应变采集系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例：

如图1所示，本实施例公开的一种高抗干扰且幅值任意可控的电阻应变仪阶跃响应校准装置，1、2、3、4分别为桥臂电阻R₁、R₂、R₃、R₄，构成应变测量桥路ACBD模拟电路。5为桥臂并联电阻R_x。四个桥臂电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R。6为高速电子开关，用于以桥臂并联电阻R_x通断方式变化桥臂电阻，产生阶跃电阻激励信号；7为方波信号发生器，用于控制高速电子开关6的通断；8为步进衰减器，通过调整步进衰减器的衰减量对阶跃应变响应电压信号幅度进行衰减，从而模拟更小幅度的阶跃应变值；9为应变采集系统，用于测量应变测量桥路和步进衰减器8共同作用产生的阶跃应变模拟量值。

通过使用方波信号发生器7产生方波信号控制高速电子开关6的通断，在桥臂电阻1、2、3、4构成的应变测量桥路ACBD和步进衰减器8组成的等效模拟电桥A’C’B’D’中产生幅度为ε的方波模拟应变。使用等效采样方法从该方波模拟应变中截取阶跃模拟应变，获得应变数据采集系统的阶跃响应波形。

本实施例公开的一种高抗干扰且幅值任意可控的电阻应变仪阶跃响应校准装置得工作方法为：

步骤一：四个桥臂电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，按照被校量程选取桥臂并联电阻R_x阻值，以控制所设置的应变量程范围。桥臂电阻R₄并联电阻R_x后桥臂CB的电阻为：

ΔR₄＝R₄-R'₄ (2)

AB两端接入供桥电压E，在CD两端获得的电压为e₀。经过步进衰减器，在C’D’两端测量获得电压为e。

则由桥臂电阻R₄并联电阻R_x后的变化产生的原始应变ε₀为：

其中，K_s称为应变率，是显示应变片灵敏度的常数，一般应变片用铜镍合金和镍铬合金的应变灵敏系数大约为2。ε₀为应变桥ACBD产生的原始应变。

通过衰减倍数为G_d的步进衰减器，在C’D’两端进行测量获得电压e。

其中，G_s为步进衰减器和与步进衰减器相连接的CD两端应变桥路等效电阻R_q不匹配造成的衰减系数。若步进衰减器输入电阻为R_d，则：

则，获得的应变桥ACBD与步进衰减器共同构成的复合应变桥A’C’B’D’模拟的应变量值ε。

其中，ε为应变桥ACBD和步进衰减器构成的复合应变桥A’C’B’D’产生的模拟应变。

步骤二：设置被校准的应变数据采集系统的通道量程、通道采样时间间隔T_s，每通道采样数据个数N。

步骤三：使用方波信号源产生周期为T_g＝m×T_s+T的方波信号控制高速电子开关的通断，(T<<T_s，m为正整数)，使得CB间的桥臂电阻在电阻R₄和电阻R₄与电阻R_x的并联电阻之间周期性跳变，产生阶跃电阻ΔR₄＝R₄-R'₄。由此产生式(3)所述幅度的原始阶跃应变ε₀。经过步进衰减器，进而在C’D’端产生式(7)所述幅度为ε的模拟阶跃应变的应变响应信号e。

步骤四：启动应变数据采集系统，对C’D’两端的信号e执行采集，获得应变采样序列x_1,1,x_1,2,…,x_1,m,x_2,1,x_2,2,…,x_2,m,…,x_n,1,x_n,2,…，将应变采样序列每m个采样点抽取1个数据保留，构成等间隔筛选序列x_i(i＝1，…，n)。则该序列即为等效采样时间间隔为T的应变等效采样序列，通过微调T_g产生任意等效采样间隔T的采样序列。

步骤五：通过选取采样序列长度n使得nT>T_g，获得被校准的应变数据采集系统的等效采样间隔为T的应变阶跃响应序列，作为其阶跃应变响应曲线。对该阶跃响应曲线进行时域分析，获得阶跃响应特性，实现电阻应变仪动态特性的计量校准，所述阶跃响应特性包括上升时间。

特例，当m＝1时，本发明方法简化为拍频方法，按照上述过程获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为T_s的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。

以上所述的具体描述，对发明的目的、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例而已，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 (4)

1.一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置，其特征在于：包括桥臂电阻(R₁、R₂、R₃、R₄)、桥臂并联电阻R_x、高速电子开关、方波信号发生器、步进衰减器、应变采集系统；桥臂电阻(R₁、R₂、R₃、R₄)构成应变测量桥路ACBD模拟电路，四个桥臂电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R；高速电子开关用于以桥臂并联电阻R_x通断方式变化桥臂电阻，产生阶跃电阻激励信号；方波信号发生器，用于控制高速电子开关的通断；步进衰减器通过调整步进衰减器的衰减量对阶跃应变响应电压信号e₀幅度进行衰减，从而模拟更小幅度的阶跃应变值e；应变采集系统用于测量应变测量桥路ACBD和步进衰减器共同作用产生的阶跃应变模拟量值ε。

2.如权利要求1所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置，其特征在于：；通过稳定可靠的高速电子开关，按照预定规律控制，产生周期性的具有高抗干扰特性的模拟大应变原始电阻阶跃波形，产生原始的高抗干扰模拟大应变阶跃激励，然后，通过步进衰减器对该应变波形进行步进调控，以产生任意幅度的模拟阶跃应变激励响应信号，该阶跃应变激励响应信号与高抗干扰模拟大应变具有相同的高抗干扰特性；以软件等效采样方式在低采样速率情况下实现等效高速采样，获得有效的阶跃响应特性曲线，结合动态校准理论和方法，实现电阻应变仪动态特性的计量校准。

3.如权利要求1或2所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置，其特征在于：工作方法为，

步骤一：四个桥臂电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R，按照被校量程选取桥臂并联电阻R_x阻值，以控制所设置的应变量程范围；桥臂电阻R₄并联电阻R_x后桥臂CB的电阻为：

ΔR₄＝R₄-R'₄ (2)

AB两端接入供桥电压E，在CD两端获得的电压为e₀；经过步进衰减器，在C’D’两端测量获得电压为e；

则由桥臂电阻R₄并联电阻R_x后的变化产生的原始应变ε₀为：

其中，K_s称为应变率，是显示应变片灵敏度的常数，一般应变片用铜镍合金和镍铬合金的应变灵敏系数大约为2；ε₀为应变桥ACBD产生的原始应变；

通过衰减倍数为G_d的步进衰减器，在C’D’两端进行测量获得电压e；

其中，G_s为步进衰减器和与步进衰减器相连接的CD两端应变桥路等效电阻R_q不匹配造成的衰减系数；若步进衰减器输入电阻为R_d，则：

则，获得的应变桥ACBD与步进衰减器共同构成的复合应变桥A’C’B’D’模拟的应变量值ε；

其中，ε为应变桥ACBD和步进衰减器构成的复合应变桥A’C’B’D’产生的模拟应变；

步骤二：设置被校准的应变数据采集系统的通道量程、通道采样时间间隔T_s，每通道采样数据个数N；

步骤三：使用方波信号源产生周期为T_g＝m×T_s+T的方波信号控制高速电子开关的通断，(T<<T_s，m为正整数)，使得CB间的桥臂电阻在电阻R₄和电阻R₄与电阻R_x的并联电阻之间周期性跳变，产生阶跃电阻ΔR₄＝R₄-R'₄；由此产生式(3)所述幅度的原始阶跃应变ε₀；经过步进衰减器，进而在C’D’端产生式(7)所述幅度为ε的模拟阶跃应变的应变响应信号e；

步骤四：启动应变数据采集系统，对C’D’两端的信号e执行采集，获得应变采样序列x_1,1,x_1,2,…,x_1,m,x_2,1,x_2,2,…,x_2,m,…,x_n,1,x_n,2,…，将应变采样序列每m个采样点抽取1个数据保留，构成等间隔筛选序列x_i(i＝1，…，n)；则该序列即为等效采样时间间隔为T的应变等效采样序列，通过微调T_g产生任意等效采样间隔T的采样序列；

步骤五：通过选取采样序列长度n使得nT>T_g，获得被校准的应变数据采集系统的等效采样间隔为T的应变阶跃响应序列，作为其阶跃应变响应曲线；对该阶跃响应曲线进行时域分析，获得阶跃响应特性，实现电阻应变仪动态特性的计量校准，所述阶跃响应特性包括上升时间。

4.如权利要求3所述的一种电阻应变测量仪的阶跃响应特性校准装置，其特征在于：当m＝1时，简化为拍频方法，按照上述步骤一至步骤五获得的采样序列不必舍去，其采样间隔为T_s的实时采样序列即为采样间隔为T的等效采样序列。

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