肖 微 劉祖華

在結構試驗中測量位移所用的測量系統(tǒng)包括位移傳感器、靜態(tài)應變測試儀和計算機。測量系統(tǒng)的輸出結果與真值的偏差是一個隨機變量,在測量儀器的整個使用壽命中,這個變化的隨機變量是一個隨機過程,所以通過對測量系統(tǒng)的標定,可以計算出其誤差,并給出使用該系統(tǒng)的結構試驗的正確測量結果,同時用標定結果去評判和表達這個隨機過程的特征,從而判斷出儀器所處使用狀態(tài)及其使用壽命。

1 標定

1.1 試驗組成

為了探討實驗室自檢定位移測量系統(tǒng)的方法,研究位移傳感器的使用對結果準確性的影響程度,筆者在實驗室常用位移測量系統(tǒng)中選擇了一系列不同量程位移計所組成的測量系統(tǒng)進行了標定試驗。該系統(tǒng)組成有DH3818靜態(tài)應變測試儀、YHD位移傳感器、筆記本電腦。試驗用的標定標準是日本產164 series Digimatic Head(數字測微頭)。

在結構試驗中,試件的位移量通過位移傳感器的感應,將輸出信號傳遞給數據采集儀(即靜態(tài)應變測試儀),在這個過程中位移傳感器本身的誤差會通過數據采集儀繼續(xù)傳遞下去,數據采集儀把電信號轉換成數字量后將其傳送給計算機,這個過程是數字量的傳遞,誤差可以忽略,所以依舊是數據帶來的傳感器誤差。在選取的標定試驗中考慮到最終結果是要進行誤差組合的,所以標定結果誤差是綜合之后作為一個量來進行最后結果修正的。

1.2 標定步驟

關于位移傳感器的標定國家并未有相關規(guī)程,所以筆者參考了JJG 34-96中華人民共和國國家檢定規(guī)程——指示表中檢定百分表示值誤差的方法設計了此次標定試驗,規(guī)程中是將檢定儀和指示表分別對好零位,百分表示值誤差是在正反行程的方向上每間隔10個分度進行檢定,直到工作行程終點,繼續(xù)壓縮測桿使指針轉過10個分度,接著反向檢定。在位移測量系統(tǒng)的標定試驗中是將YHD型位移傳感器安裝固定在數字測微頭上,并將位移傳感器的導線與DH3818靜態(tài)應變測試儀連接,連接方式采用半橋連接。打開手搖式數字測微頭,并校零,將其測頭與位移傳感器接觸,但對位移傳感器無壓力;打開DH3818靜態(tài)應變測試儀及其軟件并對儀器進行平衡,完成后開始測試。對于不同量程位移傳感器,所取的測量間隔不同,單次行程測點數據也不相同,為了得到統(tǒng)計結果,上述過程會被重復多次進行。

2 標定結果處理

筆者應用了SPSS統(tǒng)計軟件對結果進行處理,得出：

50 mm位移計所組成的系統(tǒng)的回歸方程如下：

正向行程回歸方程：f(x)=202.239×x+7.1;

逆向行程回歸方程：f(x)=202.248×x+7.302。

30 mm位移計所組成的系統(tǒng)的回歸方程如下：

正向行程回歸方程：f(x)=199.441×x-13.755;

逆向行程回歸方程：f(x)=199.436×x-12.381。

100 mm位移計所組成的系統(tǒng)的回歸方程如下：

正向行程回歸方程：f(x)=202.064×x+5.429;

逆向行程回歸方程：f(x)=202.076×x+7.896。

出廠時三種量程位移計的線性關系是相同的,因使用時間不同,所以才會出現這些差別。所以具體使用該系統(tǒng)時要把記錄數據利用上述線性關系進行結果的處理。

3 隨機過程與使用壽命關系探討

3.1 理論研究

在我們的實際工程中,一個隨機系統(tǒng)的狀態(tài)隨著時間而改變,在時間 t的狀態(tài)具有偶然性,它是一個隨機變量 x(t),數學上的隨機過程可以簡單的定義為一組隨機變量,即指定一參數集,對于其中每一參數點t指定一個隨機變量x(t)。如果回憶起隨機變量自身就是一個函數,以 ω表示隨機變量x(t)的定義域中的一點,并以 x(t,ω)表示隨機變量在 ω的值,則隨機過程就由剛才定義的點偶(t,ω)的函數以及概率的分配完全確定。如果固定 t,這個二元函數就定義一個ω的函數,即以 x(t)表示的隨機變量。如果固定ω,這個二元函數就定義一個t的函數,這是過程的樣本函數。

位移測量系統(tǒng)的實驗室標定結果就是一個隨時間而改變的隨機變量,即隨機過程。位移輸入是不隨時間而改變的,應變輸出值卻隨著傳感器使用時間的改變而改變著,所以它們的回歸關系正好符合上述隨機過程的定義。既然如此,那么就證明一次的標定并非終生有效。所以研究這個隨機過程與其使用壽命的關系就顯得很重要了。

隨機過程是一組隨機變量,類似于單個隨機變量,所以也可以定義其概率分布函數和概率密度函數,對于隨機序列,它們的概率性質完全由n維概率分布函數或對應的n維概率密度函數確定。尤其是我們實際中遇到的大多數樣本連續(xù)的隨機過程,在一個很小的時間間隔Δt內,x(t1)和 x(t1+Δt)可能出現的數值之間常常存在相關性。因此這一類的連續(xù)隨機過程可以用 n維概率分布函數來逼近描述它們的概率性質。更為實用的則是用二維概率分布函數來描述隨機過程 x(t)的統(tǒng)計特征,包括它的數學期望和方差,自相關函數等。

在位移傳感器的使用參數這個隨機過程中,我們可以通過研究其統(tǒng)計特征,來確定該參數與使用時間的關系,從而推斷其使用壽命,但這只是理論。實際應用于實驗室自檢測時,則需要將其簡化,尋找最簡便方法。

3.2 試驗設想

在以上理論基礎以及最初的標定試驗基礎上,筆者進行了位移傳感器使用壽命試驗的設計：1)標定標準的選擇。根據試驗結果的精度要求,可以選擇用量塊作為更高一級的標準,對位移測量系統(tǒng)進行輸入。2)環(huán)境選擇?？紤]到實際該測量系統(tǒng)使用時的現實條件,進行環(huán)境選擇,包括空氣溫度和濕度以及周圍噪聲和磁場干擾都要考慮在內,保證試驗條件接近真實使用環(huán)境。3)測量的方式,性能指標及失效標準。性能指標是確定的,即位移與應變輸出值之間的關系。測量方式則是該試驗的難點,同樣采用最初標定的試驗方法,但是在試驗次數的選擇上要采用按概率論知識計算出來的數據,這就需要確定一個置信度,即多大概率內的結果有效。但目前國家并無此方面規(guī)范,此類研究也鮮見于相關文章中,所以更需要考慮的全面。由于傳感器在使用中會與不同的應變測試儀配套使用,建議確定參加試驗的系統(tǒng)應將各類搭配都算在內進行?？梢赃M行橫向比較,使結果更加接近真實。因最終利用隨機過程理論確定壽命,所以試驗周期不宜過長。

4 結語

本文通過位移測量系統(tǒng)的標定試驗與相關理論介紹探討了位移傳感器使用參數與其使用狀態(tài)的關系,又通過試驗設計闡述了自己的設想,為實驗室自檢定靜態(tài)位移傳感器提供了理論依據和實際方法,具有一定的現實意義。今后的工作就是通過試驗去驗證這些結論,會在以后的研究工作中進行。

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