林喜鑒

摘要：文中主要針對應變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數測量進行研究，包括應變計動靜態(tài)一體化測量裝置的總體結構及各模塊的具體設計；然后對所設計出的測量裝置進行動靜態(tài)特性參數的實驗測量驗證，并進一步討論分析論證實驗數據可靠性，以驗證文中所提出的裝置可用于開展應變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數的測量，為計量行業(yè)研究人員實現應變計動靜態(tài)特性參數的測量提供一種參考。

關鍵詞：應變計；靜態(tài)；動態(tài)；應變

Research on Dynamic and Static Characteristic Measuring Device of Tool-type Strain Sensor

LIN Xijian

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China）

Abstract： This article mainly focuses on the measurement of static and dynamic metrological characteristics parameters of strain gauges， including the overall structure of the strain gauge dynamic and static integrated measurement device and the specific design of each module; Then， experimental measurement and verification of the static and dynamic characteristic parameters of the designed measuring device will be conducted， and further discussion and analysis will be conducted to demonstrate the reliability of the experimental data， in order to verify that the device proposed in this article can be used for measuring the static and dynamic metrological characteristic parameters of strain gauges， and provide a reference for researchers in the metrology industry to implement the static and dynamic characteristic parameters of strain gauges.

Key Words： Strain gauges; Static; Dynamic; Strain

0引言

工具式應變傳感器（以下簡稱“應變計”），是將應變量（形變量）轉化為電信號（電壓、電流或頻率）變化輸出的傳感元件。應變計通常與應變數據采集器配套組成應變監(jiān)測系統(tǒng)，用于長期動態(tài)監(jiān)測（如梁、柱、樁基等）、鋼結構（如大型廠房、場館里的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等）由于工作應力、溫度應力、干縮應力而引起的應變值，故廣泛應用于橋梁、建筑、鐵路、交通、水電、大壩工程監(jiān)測領域[1]。

而應變計作為應變監(jiān)測系統(tǒng)中的關鍵部件，其性能的好壞直接關系到應變監(jiān)測數據的準確性和可靠性。特別是計量特性參數，對被監(jiān)測結構的安全性、耐久性與健康性評價的準確性都有很大的影響，因此實現應變計計量參數準確測量和深入研究是十分有價值的[1]。

1動靜態(tài)計量特性

應變計具有靜態(tài)和動態(tài)兩種計量特性，靜態(tài)特性反映了輸入量為定值或變化緩慢時，應變計的輸出量與輸入量的關系，包括靜態(tài)靈敏度、線性度、重復性、零值誤差、穩(wěn)定度等。動態(tài)特性反映了輸入量為正弦穩(wěn)態(tài)變化時，應變計的輸出量與輸入量的關系，包括參考靈敏度、頻率響應、幅值線性度等[2]。

在應變計動靜態(tài)計量特性校準中，主要依據JJG 930-2021《基樁動態(tài)測量儀檢定規(guī)程》校準方法中的6.3.3 動測儀應變測量系統(tǒng)，按功能可分為靜態(tài)校準和動態(tài)校準。

2 動靜態(tài)測量裝置

結合應變測量傳感器校準項目、校準方法的要求，該應變測量傳感器動靜態(tài)測量裝置的總體設計理念是用計算機控制取代人工操作，提高測量精度和測量效率，實現測量過程的全自動化，并具有結構簡單、安裝可靠、操作便捷等特點。

2.1 總計結構

應變計動靜態(tài)測量裝置總體結構框圖如圖1所示，裝置主要由機械系統(tǒng)（包括機架、振動臺、伺服電機、螺母絲杠運動機構、導軌、滑臺等）、驅動系統(tǒng)（包括信號發(fā)生器、功率放大器、電機控制器等）、測量系統(tǒng)（包括光柵位移傳感器、加速度計、數據采集器等）、計算機控制系統(tǒng)（包括下位機系統(tǒng)、上位機及測控軟件）等組成。

動態(tài)校準時，首先將被校應變計一端固定在機架上，另一端固定在振動臺臺面上，然后由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制信號發(fā)生器輸出設定頻率和幅值的正弦信號，通過功率放大器驅動振動臺工作，并由標準加速度計測量振動臺輸出加速度值，進而計算得到振動臺振動位移值，從而算出施加到被校準應變計上的標準應變值，而被校準應變計輸出電壓信號與標準應變值之比，可得到被校準應變計的動態(tài)靈敏度值。各頻率點下的動態(tài)靈敏度按公式（1）計算[3]。

式中：

S—— 應變測量傳感器的動態(tài)靈敏度，μV/με；

U——應變測量傳感器的輸出電壓，μV；

a——標準振動臺的加速度值，m/s2；

f——標準振動臺的振動頻率，Hz；

L0——應變測量傳感器標距，m。

靜態(tài)校準時，首先將被校應變計一端固定在機架上，另一端固定在滑臺上，然后由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出命令控制電機控制器驅動伺服電機工作，并通過螺母絲杠機構帶動滑臺每次以被測應變計10%量程做線性位移運動，共有11個測量點。上位機通過光柵位移傳感器和數據采集卡依次記錄各測量點的位移值和應變計的輸出電壓值。靜態(tài)靈敏度的計算采用最小二乘法，按式（2）計算。

式中：

S—— 應變測量傳感器的靜態(tài)靈敏度，μV/με；

n——檢測次數（i=1，2，3，…，n）；

Li——第i點的給定位移值，m；

L0——應變測量傳感器標距，m；

根據上述設計思路，應變計動靜態(tài)測量裝置分為三部分進行設計：機械系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

2.2 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)是整個測量裝置的基礎，功能上主要是實現機械運動和傳感器安裝。機械運動是實現被測應變傳感器做直線位移和振動位移運動，傳感器的安裝是滿足不同規(guī)格的應變計安裝且滿足傳感器安裝的技術要求。

機械系統(tǒng)主要包括機架、靜態(tài)運動機構（螺母絲杠運動機構、導軌、滑臺）、動態(tài)運動機構（振動臺）和多功能傳感器安裝機構等。一體化自動校準裝置機械結構見圖2。

2.3 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)為整個測量裝置所用到的所有電子硬件設備，按裝置功能分為靜態(tài)特性系統(tǒng)和動態(tài)特性系統(tǒng)。

2.3.1 靜態(tài)特性硬件系統(tǒng)

靜態(tài)特性硬件系統(tǒng)由直線位移運動系統(tǒng)、直線位移測量系統(tǒng)和應變計輸出采集系統(tǒng)組成。其中，直線位移運動系統(tǒng)由工控機、運動控制卡、驅動器和電機組成，直線位移測量系統(tǒng)由工控機、數據采集卡和光柵尺組成，應變計輸出采集系統(tǒng)由工控機、數據采集卡、被測應變計系統(tǒng)組成。系統(tǒng)硬件總體框架圖如圖3所示[4]。

本系統(tǒng)中工控機和DMC3600運動控制器、NI 6356多功能數據采集卡組成上位控制和采集單元。工控機通過DMC3600運動控制卡發(fā)送運動控制指令給CL57D數字式閉環(huán)步進驅動器，驅動60CMW22X閉環(huán)伺服電機傳動KK6010P型直線運動導軌上安裝有被測應變計的滑塊運動。同時固定在滑塊上的光柵讀數頭與貼在直線導軌上的RGS20光柵尺帶輸出相應位移量的光柵脈沖信號，NI 6356 數據采集卡I/O計數器端對光柵脈沖信號進行計數，并實時反饋給PC機。同時NI 6356 數據采集卡模擬輸入端采集被測應變計的輸出電壓，從而實現被測應變計靜態(tài)特性參數的測量。靜態(tài)特性硬件系統(tǒng)的技術指標如下：

① 最大加載力：2000N；

② 直線位移測量范圍：（0～5）mm；

③ 直線位移定位精度：10μm；

④ 靜態(tài)應變測量范圍：（0～2000）?ε（p）；

⑤ 電壓采集系統(tǒng)：16bit；

⑥ 測量不確定度優(yōu)于1%（=2）。

2.3.2 動態(tài)特性硬件系統(tǒng)

動態(tài)特性硬件系統(tǒng)由振動位移激勵系統(tǒng)、振動位移測量系統(tǒng)和應變計輸出采集系統(tǒng)組成。其中，振動位移激勵系統(tǒng)由工控機、數據采集卡、功率放大器和標準振動臺組成，振動位移測量系統(tǒng)由工控機、數據采集卡、標準加速度計和電荷放大器組成，應變計輸出采集系統(tǒng)由工控機、數據采集卡、被測應變計系統(tǒng)組成。系統(tǒng)硬件總體框架圖如圖4所示。

本系統(tǒng)中工控機和NI 6356多功能數據采集卡組成上位控制和采集單元。工控機通過調節(jié)數據采集卡模擬輸出端的正弦信號（頻率和幅值），通過功率放大器驅動標準振動臺做正弦振動。經安裝在振動臺中心臺面上標準加速度計套組拾取轉換為交流電壓信號輸出，NI 6356 數據采集卡模擬輸入端同時采集標準加速度計套組和被測應變計的輸出電壓，并實時反饋給工控機，從而實現被測應變計動態(tài)特性參數的測量。動態(tài)特性硬件系統(tǒng)的技術指標如下：

① 最大激振力：500N；

② 振動頻率：（5～2000）Hz；

③ 動態(tài)位移測量范圍：（0.01～2.00）mm（pp）；

④ 動應變測量范圍：（0.1～500）?ε（p）；

⑤ 電壓采集系統(tǒng)：16bit；

⑥ 測量不確定度優(yōu)于3%（=2）。

2.4 軟件系統(tǒng)

基于Labview的應變測量傳感器動靜態(tài)測量裝置的軟件系統(tǒng)是在硬件系統(tǒng)的基礎上進行結構設計和功能開發(fā)的，故軟件系統(tǒng)結構上主要包括靜態(tài)特性、動態(tài)特性兩個軟件模塊；功能上主要實現直線位移運動控制、振動位移運動控制和被測應變計輸出采集，同時能夠對動靜態(tài)特性參數進行計算，保存，并能夠生成測試報告。上位機軟件提供已于操作的人機交互界面，并根據相應操作指令完成應變計動靜態(tài)特性自動化測量。靜態(tài)特性軟件模塊主界面如圖5所示，動態(tài)特性軟件模塊主界面如圖6所示。

3測量實驗

3.1 實驗方案

本次選用北京盛賽克公司生產的CYB-YB-F1K型的應變測量傳感器進行動靜態(tài)特性參數的測量實驗，CYB-YB-F1K型的應變測量傳感器的測量范圍為±1000?ε，標稱標距為76.2mm。實驗方法依據JJG 930-2021《基樁動態(tài)測量儀檢定規(guī)程》6.3.3 動測儀應變測量系統(tǒng)。

3.2 實驗結果與分析

│En│≤1 則測量結果為滿意；

│En│＞1 則測量結果為不滿意。

表1是該一體化測量裝置和中國計量院測量裝置對CYB-YB-F1K應變測量傳感器的聲場特性參數測量結果。從校準結果對比驗證可知，該裝置對應變測量傳感器的校準結果（靜、動態(tài)靈敏度）滿足對比驗證，可作為應變測量傳感器校準用測量裝置，用于開展對應變測量傳感器的校準[5]。

4結語

文中主要針對應變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數測量進行研究，包括應變計動靜態(tài)一體化測量裝置的總體結構及各模塊的具體設計，然后對所設計出的測量裝置進行動靜態(tài)特性參數的實驗測量驗證，并進一步討論分析論證實驗數據可靠性，以驗證文中所提出的裝置可用于開展應變計靜態(tài)和動態(tài)計量特性參數的測量。

參考文獻

[1]戴顯著.工具式應變傳感器在橋梁檢測中的應用研究[D].重慶交通大學，2015.

[2]張偉，張躍，張智敏，等.應變式力傳感器動態(tài)特性研究及動態(tài)補償[J].計量學報，2012，33（1）：35-38.

[3]基樁動態(tài)測量儀檢定規(guī)程：JJG 930-2021[S].

[4]張勇，梁平，張玉珍，等.振弦應變傳感器校準裝置的設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2011，（4）：52-55.

[5]袁興起，陳愷，崔建軍，等.應變傳感器計量特性的校準方法[J].計量學報，2018，39（6）：835-84.