談冬興　徐貴力　魏　許　朱岳輝

(1.南京市計量監(jiān)督檢測院，南京 210037；2.南京航空航天大學自動化學院，南京 210016)

0　引言

應變儀是一種廣泛應用于工程質(zhì)量監(jiān)測的重要傳感器，它種類繁多,主要用于大壩、橋梁、管線,支撐、鋼樁等各種結(jié)構(gòu)的應變測量。本裝置主要針對差動電阻和振弦式應變計設計的。差動電阻式應變計是以一對差動變化的金屬絲作為敏感元件測量應變量的應變計，它由敏感元件、密封殼體和引出電纜三個主要部分組成。振弦式應變計是利用振弦的固有頻率變化來感測應變量的應變計，它主要由振弦、激振、線圈、護管和端座等組成。應變儀的性能和精度對于建筑工程安全有著極為重要的意義。目前國內(nèi)主要使用SCS型應變傳感器標定架進行檢測[1]，這種方法檢測精度低，定位困難，人為因素對檢測的結(jié)果影響較大，記錄、保存和數(shù)據(jù)處理繁瑣[2]，不適宜完成高質(zhì)量的批量檢測[3]。

本文針對上述問題，結(jié)合應變儀的工作原理和實際應用的過程，設計并研制了一種對應變儀進行高精度自動校準的裝置。該裝置操作簡便，在應變儀的校準方面取得了良好的效果。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

應變儀自動校準系統(tǒng)如圖1所示，工作過程如下：首先，將應變計兩端分別固定在兩檢測平臺上，工控機初始化，進入待測狀態(tài)；其次，工控機發(fā)出運行指令，控制數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送給步進電機，步進電機驅(qū)動檢測平臺自動加載和檢測；然后，光柵位移傳感器檢測到工作臺的運動位置，并將信號通過數(shù)據(jù)采集卡反饋給工控機實現(xiàn)高精度自動加載；最后，工控機自動進行數(shù)據(jù)處理形成記錄報表和畫出圖形并打印，完成測量。

圖1　應變儀自動校準系統(tǒng)示意圖

本裝置的設計難點在于以下幾個方面：第一，在應變儀進行拉伸過程中，整套裝置必須承受至少60kg的核定負載；第二，光柵位移傳感器在測量過程中，由于負載過大，會受到檢測平臺扭矩的影響，使測量精度下降；第三，應變儀在測量過程中不能發(fā)生相當滑動。針對以上問題，我們在硬件設計的環(huán)節(jié)采取了相應措施，使這一系列問題都得到了較好的解決。

2　系統(tǒng)硬件的設計

圖2為我們設計的應變儀自動校準系統(tǒng)硬件圖，該應變儀自動校準裝置硬件包括：用于運行軟件和控制的工控機，用于發(fā)送控制脈沖和脈沖計數(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，用于測量移動位置的光柵位移傳感器，用于應變儀裝夾的檢測平臺，用于實現(xiàn)平臺移動的高精度機械傳動機構(gòu)和用于帶動機械傳動機構(gòu)的電機等。

1.檢測平臺；2.壓緊塊；3.光柵；4.滾珠絲桿；5.驅(qū)動電機；6.電器盒；7.應變計傳感器

本裝置采用的光柵位移傳感器，其輸出脈沖間隔為0.5μm，輸出精度為3μm。為了減小負載過大導致的偏移誤差，光柵位移傳感器與檢測平臺平行安裝，提高了整套裝置的檢測精度。

為了保證裝置能夠承受60kg以上的核定負載，我們采用V型導軌，保證工作臺在負載的作用下，運行時不發(fā)生偏擺和俯仰；同時利用剛性機構(gòu)進行連接，保證載荷由減速機構(gòu)平穩(wěn)地傳遞到傳動機構(gòu)；并且采用直徑大于25mm的高精度滾珠絲杠，保證運動過程中能精確地傳遞足夠大的扭力。

檢測平臺采用螺紋和壓板裝夾，可以滿足多種規(guī)格應變儀的檢測需要。其夾具進行了滾花、淬火以及鍍鋅處理，增加了裝置的硬度和摩擦力，使應變儀能夠在運動過程中本身不發(fā)生移動。

最終，我們設計并實現(xiàn)的應變儀校準裝置實物如圖3所示。

圖3　測斜儀校準裝置實物圖

3　測控程序開發(fā)

為了保證應變儀校準裝置的正常運行，本文在Windows XP操作系統(tǒng)平臺上，以VC++6.0為基本軟件開發(fā)和調(diào)試工具，完成了應變儀校準裝置的軟件設計，具體來說，包括以下步驟，檢測校準過程如圖4(a)所示。

圖4　算法流程圖

第一步：程序運行后，等待用戶的輸入，判斷有效后，根據(jù)用戶的輸入預調(diào)整檢測平臺的位置，為下一步的檢測校準做準備；

第二步：根據(jù)用戶輸入，計算下一個待校準點所對應光柵位移傳感器的脈沖數(shù)，啟動電機，同時讀取光柵位移傳感器的脈沖數(shù)，得到移動位置，當檢測平臺到達預定位置時，電機停止轉(zhuǎn)動，用戶將應變儀的讀數(shù)輸入計算機；

第三步：重復第二步，直到所有的點都校準完畢，將校準結(jié)果以Excel表格的形式輸出，包括校準點位置、應變儀讀數(shù)、實際位置、標定方程和誤差等信息。

其中回零過程如圖4(b)所示。用戶點擊回零按鈕后，系統(tǒng)根據(jù)檢測平臺和限位信號的位置決定轉(zhuǎn)動方向，自動回到前述記錄的零位。

進入檢測程序軟件后，首先輸入送檢儀器信息,然后根據(jù)檢測需要選擇測量模式，包括手動模式和自動模式，最后檢測人員將被檢儀器數(shù)據(jù)逐步輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理并打印出原始記錄。

4　測量結(jié)果及分析

利用該應變儀自動校準裝置對南京基泰土木工程儀器有限公司以及南京水利科學研究院儀器工廠所生產(chǎn)的應變儀產(chǎn)品分別進行了檢測。在裝置受力的情況下，我們同時用激光干涉儀對裝置標定位置進行了校準，實驗結(jié)果如表1和表2所示。

表1　南京基泰應變儀校準結(jié)果　mm

表2　南京水利應變儀校準結(jié)果　mm

實驗結(jié)果表明，在多次重復測量中，實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，重復性誤差小。最大測量范圍時的校準誤差分別為6μm和8μm，滿足了設計的要求。

5　結(jié)束語

本文設計并研發(fā)了一種對應變儀進行高精度自動校準的系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該自動校準系統(tǒng)實現(xiàn)了測量范圍0～300mm的應變儀高精度校準，其中校準精度可達到10μm，核定負載能達到60kg，滿足了實際應用需求。

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