CN114674275A - 高低温引伸计的校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高低温引伸计的校准装置及方法，所述装置包括：温箱，用于为引伸计提供相应的高低温环境；移动心轴和固定心轴，设置于所述温箱内，并安装所述引伸计；测微头，设置于所述温箱外部，通过隔热材料与所述移动心轴连接；定位机构，安装于所述温箱外部；测长仪表，安装于所述定位机构上。本申请使高低温引伸计校准装置的测量结果的不确定度达到U_rel＝0.06％～0.10％，能够满足0.5级及以下高低温引伸计的校准工作。

Description

高低温引伸计的校准装置及方法

技术领域

本申请实施例涉及引伸计校准技术，涉及但不限于一种高低温引伸计的校准装置及方法。

背景技术

在材料力学性能分析领域，最关心的是材料的应力–应变曲线，测量应力应变曲线用到的主要测量设备为材料试验机和引伸计。材料试验机通过对材料施加力来分析材料的弹性极限、屈服强度、抗拉强度等力学性能指标。引伸计是用来测量材料在受力状态下的弹性模量、泊松比、延伸率等长度变形量指标。

引伸计的测量原理是将传感器直接和被测构件接触。构件上被测的两点之间的距离为标距，标距的变化(伸长或缩短)为线变形。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器或读数器将放大后的信号直接显示或自动记录下来。目前最为常见、应用最广的是电子引伸计。

随之而来的问题是，目前国内外没有在高温和低温环境下校准引伸计的方法，无法验证温度对引伸计计量性能的影响，也就无法保证高低温环境下材料分析试验数据的可靠性，因此急需研制出一套即高低温引伸计标定器，用于解决高低温引伸计所面临的校准溯源问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种高低温引伸计的校准装置及方法。

根据本申请的第一方面，提供一种高低温引伸计的校准装置，包括：

温箱，用于为引伸计提供相应的高低温环境；

移动心轴和固定心轴，设置于所述温箱内，并安装所述引伸计；

测微头，设置于所述温箱外部，通过隔热材料与所述移动心轴连接；

定位机构，安装于所述温箱外部；

测长仪表，安装于所述定位机构上。

在一些实施例中，所述移动心轴和固定心轴均由石英制成，热膨胀系数位于0.45～0.55×10^-6℃。

在一些实施例中，所述温箱能够提供-135℃～+200℃的温度环境。

根据本申请的第二方面，提供一种基于所述高低温引伸计的校准装置的校准方法，包括：

将引伸计安装在温箱中的移动心轴上，调整所述温箱的温度进行升高或降低，待所述温箱的温度恒定后，转动测微头，使所述移动心轴移动；

将引伸计测量得到的移动心轴移动距离与测微头输出的位移距离进行比较，得到引伸计在高低温环境下的计量特性。

因此，本申请实施例与传统技术相比的有益效果：

本申请实施例提供的高低温引伸计的校准装置及方法，通过提供-135℃～+200℃的温度环境，将测微头设置于温箱外部，使测微头置于常温环境中，使高低温引伸计的校准装置的测量结果的不确定度达到U_rel＝0.06％～0.10％，能够满足0.5级及以下高低温引伸计的校准工作。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种高低温引伸计的校准装置的组成结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种高低温引伸计的校准装置的溯源装置的组成结构示意图。

具体实施方式

对于引伸计，温度影响带来的空间几何尺寸变化会导致零点、量程范围和标距误差增大。灵敏度变化作为传感器(包括应变计、电容装置、线性可变差动变压器等)所受温度的函数，会给量程范围内带来误差。所用传感器零点的变化是温度的函数。灵敏度的变化量是环境的绝缘性能变化、引伸计测量臂或元件的模数或系数变化的函数。

本申请实施例主要用以解决高低温引伸计在实际使用环境温度下的校准溯源问题，为准确测量引伸计在高低温环境下的计量特性，保证引伸计在高低温环境下使用时数据的准确可靠这一基本要求，本申请实施例的高低温引伸计标定器校准方法，在保证轴向位移精准的前提下，实现在高低温环境下对引伸计的校准，完全满足高低温引伸计的校准溯源要求。

本申请实施例通过对常温引伸计标定器的机构进行重新设计，加大引伸计标定器的尺寸，使引伸计标定器同时具备位移输出和温度控制的功能，并且设计测微头(位移输出机构)在温箱外部，通过隔热材料将耐高温移动心轴与测微头连接，通过精密加工确保转接精度，确保了位移输出不受温度影响；在校准引伸计时，将引伸计放入高低温箱，并安装在移动心轴和固定心轴上，升高或降低温度，待温度恒定后，转动测微头，使移动心轴移动，将引伸计测量得到的移动心轴移动距离与测微头输出的位移距离进行比较，得到引伸计在高低温环境下的计量特性。

图1为本申请实施例提供的一种高低温引伸计的校准装置的组成结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种高低温引伸计的校准装置的溯源装置的组成结构示意图，如图1、图2所示，本申请实施例的高低温引伸计的校准装置包括：

温箱，用于为引伸计提供相应的高低温环境；

移动心轴和固定心轴，设置于所述温箱内，并安装所述引伸计；

测微头，设置于所述温箱外部，通过隔热材料与所述移动心轴连接；

定位机构，安装于所述温箱外部；

测长仪表，安装于所述定位机构上，所述测长仪表的固定心轴与所述移动心轴通过抱紧螺母连接。

在一些实施例中，所述移动心轴和固定心轴均由石英制成，热膨胀系数位于0.45～0.55×10^-6℃。

在一些实施例中，所述温箱能够提供-135℃～+200℃的温度环境。

本申请实施例中，移动心轴受热变形发生在两个阶段：温箱升温或降温阶段以及温度稳定后的试验阶段。升降温过程中心轴的变形会导致引伸计零点位置的变化，在温度稳定后的试验阶段，温度的波动度以及温场的不均匀性会影响心轴的变形，从而影响引伸计示值误差的校准结果。

本申请实施例通过选用热膨胀系数低的材料作为移动心轴，本申请实施例采用高纯石英，其热膨胀系数为0.5×10-6℃，假设心轴高0.5m，温度升高200℃，心轴变形只有0.04mm；远小于引伸计的量程25mm，且由于引伸计在设计生产时，会预留10％量程的过载保护，因此心轴变形对于引伸计量程的影响很小，不会影响到实际使用。通过温度的波动度和选定材料的热膨胀系数，算得心轴在轴向的最大变形；并通过热仿真技术，分析温场不均匀性形成的温度梯度，以及导致热流变化引起的心轴径向变形影响。将心轴轴向变形和径向变形的数据作为引伸计标定器位移测量不确定度的一个分量。同时应在温控技术方案中尽量减小温度波动度和温场的不均匀性。

对于低温控制，本申请实施例的温箱实验最低温度达到-135℃，常规单级蒸汽压缩制冷系统已经不能满足如此低温。要达到实验要求低温，一般采用液氮制冷系统和自复叠制冷系统。液氮制冷系统原理相对简单，但实验时需要液氮的消耗，对液氮的储存等提出要求；而自复叠系统结构相对简单，只需要一台压缩机通过混合工质的使用就能达到实验所需要的低温，本申请实施例通过设计的一种混合工质多级节流自复叠制冷系统的技术路线，可以实现温箱实验最低温度达到-135℃。

常规引伸计标定器的溯源是将高精度的测长仪表与引伸计标定器的测微头调整为同轴，并刚好接触，转动测微头，比较测微头输出的位移值与测长仪表接受的位移值之差。

由于高精度的测长仪表不耐高低温环境，为解决高低温引伸计标定器的溯源问题，本申请实施例在高低温引伸计标定器上方安装高精度的定位机构，将高精度的测长仪表安装到该机构上，将高低温引伸计标定器固定心轴和移动心轴通过抱紧螺母连接。从而实现测微头和高精度的测长仪表均在常温环境下使用，并将测微头输出的位移，经过高低温环境，传递给高精度的测长仪表，复现了高低温引伸计标定器的使用状态，因此本申请实施例可以验证高低温引伸计标定器的计量性能。

本申请实施例还记载了一种基于前述实施例的高低温引伸计的校准装置的校准方法，包括：

将引伸计安装在温箱中的移动心轴上，调整所述温箱的温度进行升高或降低，待所述温箱的温度恒定后，转动测微头，使所述移动心轴移动；

通过所述测微头测量所述移动心轴移动距离，将所述测微头测量通过所述温箱的温度环境传递给所述测长仪表，由所述测长仪表确定所述测微头测量的的移动距离与所述测长仪表测量的位移的差值；

基于所述引伸计测量得到的所述移动心轴的径向变形量和所述差值，得到所述引伸计在高低温环境下的计量特性。

本申请实施例提供的高低温引伸计的校准装置及方法，通过提供-135℃～+200℃的温度环境，将测微头设置于温箱外部，使测微头置于常温环境中，使高低温引伸计校准装置的测量结果的不确定度达到U_rel＝0.06％～0.10％，能够满足0.5级及以下高低温引伸计的校准工作。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本发明的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高低温引伸计的校准装置，其特征在于，所述装置包括：

温箱，用于为引伸计提供相应的高低温环境；

移动心轴和固定心轴，设置于所述温箱内，并安装所述引伸计；

测微头，设置于所述温箱外部，通过隔热材料与所述移动心轴连接；

定位机构，安装于所述温箱外部；

测长仪表，安装于所述定位机构上。

2.根据权利要求l所述的校准装置，其特征在于，所述移动心轴和固定心轴均由石英制成，热膨胀系数位于0.45～0.55×10^-6℃。

3.根据权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述温箱能够提供-135℃～+200℃的温度环境。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述高低温引伸计的校准方法，其特征在于，所述方法包括：

将引伸计安装在温箱中的移动心轴和固定心轴上，调整所述温箱的温度进行升高或降低，待所述温箱的温度恒定后，转动测微头，使所述移动心轴移动；

将引伸计测量得到的移动心轴移动距离与测微头输出的位移距离进行比较，得到引伸计在高低温环境下的计量特性。

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