CN117232470B - 一种应变片高温下性能参数标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变片高温下性能参数标定装置。本发明装置包括温度加载系统和刚性平台，还包括等强度悬臂梁系统、变形加载系统、测量系统、热输出测量平板；温度加载系统、等强度悬臂梁系统和测量系统设置在刚性平台之上，变形加载系统设置在温度加载系统之内，测量系统设置在温度加载系统外，热输出测量平板设置在温等强度悬臂梁系统之上。本发明由易获取的、相互独立的分系统组装而成，并采用一体化整体加工制成的等强度悬臂梁的位移加载法和非接触式位移测量方法，可以精确测量室温至1400℃温度范围内应变片的性能参数。

Description

一种应变片高温下性能参数标定装置

技术领域

本发明涉及构件载荷测量设备领域，更具体的说，是涉及一种应变片高温下性能参数标定装置。

背景技术

构件在载荷作用下的应变和应力等量值需要借助应变片来测量。制造厂家在同一批次应变片生产出来后，宽泛地以相同性能参数来衡量该批次应变片。为了提高应变片测量精度，实际使用前一般需要借助等截面纯弯曲梁、等强度悬臂梁或拉压试件的方法进行应变片关键性能参数的标定。目前，常用的应变片高温下性能参数标定装置，大多采用等截面纯弯曲梁和等强度悬臂梁的位移加载法进行标定，系统复杂、分系统间相互不独立、不易工程实现。而且位移测量方法均为接触式位移测量方法，由于高温环境下的热胀冷缩致使相互不独立的分系统部件间的间隙发生变化，从而使得接触式位移测量精度较差，这直接降低了应变片性能参数的位移测量精度。对于大部分采用等强度悬臂梁的标定装置，采用螺栓或压块的形式对等强度悬臂梁施加固支约束，无法做到固支约束部位与位移加载点距离的精确控制，从而导致通过加载位移计算得到的真实应变的准确性降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术中存在的不足，提供一种应变片高温下性能参数标定装置，实现对室温至1400℃温度范围内应变片的性能参数。

为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

应变片高温下性能参数标定装置，其包括：温度加载系统，刚性平台，等强度悬臂梁系统，变形加载系统，测量系统，热输出测量平板；温度加载系统、等强度悬臂梁系统和测量系统设置在刚性平台之上，变形加载系统设置在温度加载系统之内，测量系统设置在温度加载系统外，热输出测量平板设置在温等强度悬臂梁系统之上。

温度加载系统，优选地，采用马弗炉形式，根据等强度悬臂梁系统的实际尺寸大小，自由地设计马弗炉的炉腔尺寸，温度加载系统由马弗炉炉体和马弗炉温度控制系统组成。

进一步地，马弗炉的加热元件，优先地，采用热惯性小、使用寿命长的硅钼棒，形状为U型，合理地进行U型硅钼棒的布置，以确保炉腔内温度梯度不大于5℃，最高加热温度达1400℃甚至更高。

进一步地，马弗炉炉体底部保温层可拆卸，并包含必要的支撑和固定部位，且留有等强度悬臂梁系统的安装通孔，该安装通孔的直径应略大于T型转接支座的外径。

进一步地，马弗炉炉体侧面设有变形加载系统中的T型加载螺杆的变形加载孔和非接触式激光的位移测量孔，且相应的孔径分别略大于T型加载螺杆的加载杆径和非接触式激光的光路半径。

进一步地，马弗炉温度控制系统，优先地，采用PID程序控制，且控制的温度波动度不大于±2℃。

刚性平台，优选地，采用普通钢材料，其厚度不低于50mm，重量大于所承载物体重量的10倍。

进一步地，刚性平台表面设有均匀、正交的T型固定槽，用于整个系统的安装固定。

等强度悬臂梁系统包括等强度悬臂梁、L型安装座、T型转接支座、T型固定支座、定位销， T型固定支座固定在刚性平台上，T型转接支座底部设置在T型固定支座的凹槽内，T型转接支座顶面安装L型安装座，定位销将等强度悬臂梁顶部与L型安装座顶部进行定位，等强度悬臂梁底端安装在L型安装座水平壁一端。

等强度悬臂梁，优先地，采用高温合金材料，等强度悬臂梁梁身采用L型一体化整体加工制成，且在加工完成后应去除加工应力。

进一步地，等强度悬臂梁顶部开有半圆定位孔，位移加载和测量处开有球形加载/测量凹坑，梁身两侧斜边应精确汇聚于加载处。

进一步地，L型等强度悬臂梁的水平固支部分，优先地，采用长方体形状，并设有通孔。

L型安装座，优先地，采用高温合金材料，其底部开有与等强度悬臂梁水平固支部分相合的固定槽和螺纹孔。

进一步地，L型安装座的底部设有与T型转接支座相合的安装通孔。

进一步地，L型安装座的两侧设有挂耳，以便于实现热输出平板的自由悬挂。

进一步地，L型安装座的顶部设有变形加载孔、直线轴承安装孔、半圆定位孔，直线轴承的安装孔的中心与加载孔中心同轴，半圆定位孔的孔径与等强度悬臂梁顶部的半圆定位孔的孔径一致。

T型转接支座，优先地，采用高温合金材料，其顶部开有与L型安装座的安装通孔相合的螺纹孔，其底部设有与T型固定支座相合的圆柱外螺纹。

T型固定支座，优先地，采用高温合金材料，其顶部设有与T型转接支座的外螺纹相合的内螺纹，其底部设有可与刚性平台T型固定槽连接的安装通孔。

定位销，优先地，其直径应与等强度悬臂梁和L型安装座顶部的半圆定位孔孔径一致，并设有水准器来校准水平。

变形加载系统包括T型加载螺杆和直线轴承。

T型加载螺杆，优先地，采用高温合金材料，手柄加载处采用绝缘绝热材料包覆，加载部位包含螺纹和光杆两部分，螺纹部分加载头则为与等强度悬臂梁球形加载凹坑尺寸相匹配的凸球形。

直线轴承，优先地，采用高温合金材料，类型为法兰型直线轴承。法兰型直线轴承的安装孔中心与变形加载孔以及等强度悬臂梁的球形加载/测量凹坑处于同一条轴线上。

测量系统包括静态数据采集仪、非接触式激光、应变片和K型热电偶。

静态数据采集仪，优先地，具备应变、位移、温度的测量功能，采样频率不低于20Hz，静态数据采集仪分别连接等强度悬臂梁和热输出平板上的应变片和热电偶，以及非接触式激光，获取被测点温度、应变以及位移值。

非接触式激光，优先地，采用激光类位移传感器，其最远工作距离应大于马弗炉炉体的半宽度，并具备静态位移测量功能。

进一步地，非接触式激光具备可调节6个方向自由度的支架，并设有水准器来校准水平。

应变片，优先地，选用所需要进行性能参数标定的对象，并采用相对应的安装工艺，如点焊、喷涂或胶粘，将其安装在热输出测量平板上和等强度悬臂梁的轴线方向上。

K型热电偶，优先地，采用点焊的方式固定在热输出测量平板上和等强度悬臂梁上，固定位置应尽可能地接近应变片的安装位置。

热输出测量平板，优先地，选用所需要测量热输出的材料，为了保持温度均匀性和一致性，其厚度一般不超过5mm，推荐为2mm左右，大小可设置为70mm×70mm左右。

本发明较之现有技术至少具有如下优点：

1）本发明中所有分系统相互独立且较易获取和组装，极大地提高了应变片性能参数标定的便捷性和经济性。

2）本发明中采用非接触式位移测量方法，系统复杂程度低，降低了因为热胀冷缩致使相互不独立的分系统部件间的间隙发生变化而造成的位移测量误差，提高了应变片高温下性能参数标定装置的位移测量精度。

3）本发明中采用刚度大的固支部分和等强度悬臂梁梁身一体化整体加工制成，精确地控制了固支部位和加载点距离，提高了通过加载位移计算得到的真实应变的准确性。

本发明由易获取的、相互独立的分系统组装而成，并采用一体化整体加工制成的等强度悬臂梁的位移加载法和非接触式位移测量方法，可以精确测量室温至1400℃温度范围内应变片的性能参数，如不同温度下的灵敏度系数和热输出、零漂、蠕变、机械滞后、热滞后、测量重复性等。

附图说明

图1为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的总体结构示意图；

图2为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的剖面示意图；

图3为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的等强度悬臂梁系统和变形加载系统示意图；

图4为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的等强度悬臂梁主视图；

图5为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的等强度悬臂梁侧视图；

图6为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的L型安装座主视图；

图7为本发明—应变片高温下性能参数标定装置的L型安装座侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图7所示，应变片高温下性能参数标定装置，其包括：温度加载系统，刚性平台，等强度悬臂梁系统，变形加载系统，测量系统，热输出测量平板；温度加载系统、等强度悬臂梁系统和测量系统设置在刚性平台之上，变形加载系统设置在温度加载系统之内，测量系统设置在温度加载系统外，热输出测量平板设置在等强度悬臂梁系统之上。

温度加载系统，采用马弗炉形式，根据等强度悬臂梁系统的实际尺寸大小，自由地设计马弗炉的炉腔尺寸，温度加载系统由马弗炉炉体和马弗炉温度控制系统组成。马弗炉的加热元件，优先地，采用热惯性小、使用寿命长的硅钼棒，形状为U型，合理地进行U型硅钼棒的布置，以确保炉腔内温度梯度不大于5℃，最高加热温度达1400℃甚至更高。马弗炉炉体底部保温层可拆卸，并包含必要的支撑和固定部位，且留有等强度悬臂梁系统的安装通孔，该安装通孔的直径应略大于T型转接支座的外径。马弗炉炉体侧面设有变形加载系统中的T型加载螺杆的变形加载孔和非接触式激光的位移测量孔，且相应的孔径分别略大于T型加载螺杆的加载杆径和非接触式激光的光路半径。马弗炉温度控制系统，采用PID程序控制，且控制的温度波动度不大于±2℃。

刚性平台，采用普通钢材料，其厚度不低于50mm，重量大于所承载物体重量的10倍。刚性平台表面设有均匀、正交的T型固定槽，用于整个系统的安装固定。

等强度悬臂梁系统包括等强度悬臂梁、L型安装座、T型转接支座、T型固定支座、定位销， T型固定支座固定在刚性平台上，T型转接支座底部设置在T型固定支座的凹槽内，T型转接支座顶面安装L型安装座，定位销将等强度悬臂梁顶部与L型安装座顶部进行定位，等强度悬臂梁底端安装在L型安装座水平壁一端。

等强度悬臂梁，采用高温合金材料，等强度悬臂梁梁身采用L型一体化整体加工制成，且在加工完成后应去除加工应力。等强度悬臂梁顶部开有悬臂梁半圆定位孔36，位移加载和测量处开有球形加载/测量凹坑37，梁身两侧斜边应精确汇聚于加载处。L型等强度悬臂梁的水平固支部分，采用长方体形状，并设有通孔38。

L型安装座，采用高温合金材料，其底部开有与等强度悬臂梁水平固支部分相合的固定槽和螺纹孔。L型安装座的底部设有与T型转接支座相合的安装通孔。L型安装座的两侧设有挂耳43，以便于实现热输出平板的自由悬挂。L型安装座的顶部设有变形加载孔44、四个直线轴承安装孔45、安装座半圆定位孔46，直线轴承的安装孔的中心与加载孔中心同轴，安装座半圆定位孔的孔径与悬臂梁半圆定位孔的孔径一致。

T型转接支座，采用高温合金材料，其顶部开有与L型安装座的安装通孔相合的螺纹孔，其底部设有与T型固定支座相合的圆柱外螺纹。

T型固定支座，采用高温合金材料，其顶部设有与T型转接支座的外螺纹相合的内螺纹，其底部设有可与刚性平台T型固定槽连接的安装通孔。

定位销，其直径应与等强度悬臂梁和L型安装座顶部的半圆定位孔孔径一致，并设有水准器来校准水平。

变形加载系统包括T型加载螺杆和直线轴承。T型加载螺杆，采用高温合金材料，手柄加载处采用绝缘绝热材料包覆，加载部位包含螺纹和光杆两部分，螺纹部分加载头则为与等强度悬臂梁球形加载凹坑尺寸相匹配的凸球形。直线轴承，采用高温合金材料，类型为法兰型直线轴承。法兰型直线轴承的安装孔中心与变形加载孔以及等强度悬臂梁的球形加载/测量凹坑处于同一条轴线上。

测量系统包括静态数据采集仪、非接触式激光、应变片和K型热电偶。

静态数据采集仪，具备应变、位移、温度的测量功能，采样频率不低于20Hz，静态数据采集仪分别连接等强度悬臂梁和热输出平板上的应变片和热电偶，以及非接触式激光，获取被测点温度、应变以及位移值。

非接触式激光，采用激光类位移传感器，其最远工作距离应大于马弗炉炉体的半宽度，并具备静态位移测量功能。非接触式激光具备可调节6个方向自由度的支架，并设有水准器来校准水平。

应变片，选用所需要进行性能参数标定的对象，并采用相对应的安装工艺，如点焊、喷涂或胶粘，将其安装在热输出测量平板上和等强度悬臂梁的轴线方向上。

K型热电偶，采用点焊的方式固定在热输出测量平板上和等强度悬臂梁上，固定位置应尽可能地接近应变片的安装位置。

热输出测量平板，选用所需要测量热输出的材料，为了保持温度均匀性和一致性，其厚度一般不超过5mm，推荐为2mm左右，大小可设置为70mm×70mm左右。

本装置安装过程如下：

马弗炉炉体11和非接触式激光52通过螺栓固定或自由放置在刚性平台2上，马弗炉炉体11连接马弗炉温度控制系统12，马弗炉炉体11安装静态数据采集仪51，利用马弗炉炉体底部可拆卸，开展以下系统的安装。

利用马弗炉炉体底部可拆卸，在刚性平台上安装T型固定支座34，并在T型固定支座上依次安装T型转接支座33和L型安装座32。

按照规定工艺，在等强度悬臂梁31中轴线上安装应变片53和K型热电偶54，热输出平板6上安装应变片53和K型热电偶54（K型热电偶54位于应变片53的对面）。

再将热输出平板6通过自由悬挂的方式固定在L型安装座32得两侧挂耳上。通过螺栓将直线轴承42固定在L型安装座32上，并通过定位销35和非接触激光52，调节等强度悬臂梁31的姿态，确保等强度悬臂梁31的加载/测量凹坑与直线轴承42、马弗炉炉体11侧面的变形加载孔和位移测量孔处于同一轴线，此时将等强度悬臂梁31通过螺栓紧固在L型安装座32上。

通过螺栓将直线轴承42固定在L型安装座32上，并通过定位销35和非接触激光52，调节等强度悬臂梁31的姿态，确保等强度悬臂梁31的加载/测量凹坑与直线轴承42、马弗炉炉体11侧面的变形加载孔和位移测量孔处于同一轴线。

最后将T型加载螺杆41通过马弗炉炉体11侧面的变形加载孔插入直线轴承42内。

以测量应变片的灵敏度系数为例，说明应变片高温下性能参数标定装置的具体使用方法，其余性能参数，如热输出、零漂、蠕变、机械滞后、热滞后、测量重复性等按照具体测试要求，参照以下方法进行：

1）完成需要进行性能参数标定的应变片53在等强度悬臂梁31上的安装。

2）搭建出上述的应变片高温下性能参数标定装置，完成信号导通后，开启非接触式激光52、静态数据采集仪51，拆除定位销35后开启温度加载系统。

3）当温度达到需要标定的温度时，通过T型加载螺杆41对等强度悬臂梁31施加台阶式位移加载，即以位移增加、位移保持、位移继续增加的形式实现台阶式位移上升。加载期间，通过非接触式激光52和静态数据采集仪51记录等强度悬臂梁加载凹坑37处的位移时域变化，通过应变片53和静态数据记录仪51记录等强度悬臂梁中轴线上的应变时域变化。

4）利用等强度悬臂梁理论，通过加载位移计算出加载的真实应变，并将真实应变除以应变片53所测量得到的应变，即可得到该温度下应变片53的灵敏度系数。

综上所述，本发明提供的应变片高温下性能参数标定装置可以实现对室温至1400℃温度范围内应变片的性能参数进行标定，如不同温度下的灵敏度系数和热输出、零漂、蠕变、机械滞后、热滞后、测量重复性等。该装置具有位移测量精度高、真实应变的计算准确性高、便捷性高、经济性高等优势。

应当理解，上述具体实施方式仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应变片高温下性能参数标定装置，该装置包括温度加载系统、刚性平台，其特征在于：还包括等强度悬臂梁系统、变形加载系统、测量系统、热输出测量平板；温度加载系统、等强度悬臂梁系统和测量系统设置在刚性平台之上，变形加载系统设置在温度加载系统之内，测量系统设置在温度加载系统外，热输出测量平板设置在温等强度悬臂梁系统之上；

所述温度加载系统为由马弗炉炉体和马弗炉温度控制系统组成，马弗炉内部采用四面U型硅钼棒进行均匀加热，炉体底部留有等强度悬臂梁系统的安装通孔，侧面留有变形加载通孔和挠度测量通孔；

所述刚性平台水平设置，重量大于所承载物体重量的10倍，刚性平台在上表面设有均布、正交的T型固定槽，用于温度加载系统、等强度悬臂梁系统和测量系统的安装固定；

所述等强度悬臂梁系统包括等强度悬臂梁、L型安装座、T型转接支座、T型固定支座和定位销，T型固定支座固定在刚性平台上，T型转接支座底部设置在T型固定支座的凹槽内，T型转接支座顶面安装L型安装座，定位销将等强度悬臂梁顶部与L型安装座顶部进行定位，等强度悬臂梁底端安装在L型安装座水平壁一端；

所述变形加载系统包括T型加载螺杆和直线轴承，T型加载螺杆穿过温度加载系统，直线轴承安装在等强度悬臂梁系统中；

所述T型加载螺杆的螺杆包括螺纹部分和光杆两部分，螺纹部分设置在直线轴承内，螺纹部分的顶端则为与等强度悬臂梁球形加载凹坑尺寸相匹配的凸球形，T型加载螺杆的手柄采用绝缘材料包覆；

所述测量系统包括静态数据采集仪、非接触式激光、应变片和K型热电偶，其中应变片和K型热电偶布置在等强度悬臂梁和热输出测量平板上，非接触式激光采用激光类位移传感器，静态数据采集仪分别连接等强度悬臂梁和热输出平板上的应变片和热电偶，以及非接触式激光，获取被测点温度、应变以及位移值。

2.根据权利要求1所述的应变片高温下性能参数标定装置，其特征在于：所述等强度悬臂梁材料为高温合金，等强度悬臂梁梁身采用L型一体化整体加工制成，位移加载和测量处开有球形加载及测量凹坑，顶部开有半圆定位孔。

3.根据权利要求1所述的应变片高温下性能参数标定装置，其特征在于：所述L型安装座上留有变形加载孔、直线轴承安装孔、定位销半圆孔、热输出测量平板的挂耳，其中变形加载孔、直线轴承安装孔和等强度悬臂梁的球形加载凹坑处于同一条轴线上。

4.根据权利要求1所述的应变片高温下性能参数标定装置，其特征在于：所述热输出测量平板，热输出测量平板安装在L型安装座两侧的挂耳，选用需要测量的材料制作，其厚度为2-3mm，大小设置为70mm×70mm。