应变仪自动校准装置的研制

谈冬兴　徐贵力　魏　许　朱岳辉

(1.南京市计量监督检测院，南京 210037；2.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016)

0　引言

应变仪是一种广泛应用于工程质量监测的重要传感器，它种类繁多,主要用于大坝、桥梁、管线,支撑、钢桩等各种结构的应变测量。本装置主要针对差动电阻和振弦式应变计设计的。差动电阻式应变计是以一对差动变化的金属丝作为敏感元件测量应变量的应变计，它由敏感元件、密封壳体和引出电缆三个主要部分组成。振弦式应变计是利用振弦的固有频率变化来感测应变量的应变计，它主要由振弦、激振、线圈、护管和端座等组成。应变仪的性能和精度对于建筑工程安全有着极为重要的意义。目前国内主要使用SCS型应变传感器标定架进行检测[1]，这种方法检测精度低，定位困难，人为因素对检测的结果影响较大，记录、保存和数据处理繁琐[2]，不适宜完成高质量的批量检测[3]。

本文针对上述问题，结合应变仪的工作原理和实际应用的过程，设计并研制了一种对应变仪进行高精度自动校准的装置。该装置操作简便，在应变仪的校准方面取得了良好的效果。

1　系统结构及工作原理

应变仪自动校准系统如图1所示，工作过程如下：首先，将应变计两端分别固定在两检测平台上，工控机初始化，进入待测状态；其次，工控机发出运行指令，控制数据采集卡发送给步进电机，步进电机驱动检测平台自动加载和检测；然后，光栅位移传感器检测到工作台的运动位置，并将信号通过数据采集卡反馈给工控机实现高精度自动加载；最后，工控机自动进行数据处理形成记录报表和画出图形并打印，完成测量。

图1　应变仪自动校准系统示意图

本装置的设计难点在于以下几个方面：第一，在应变仪进行拉伸过程中，整套装置必须承受至少60kg的核定负载；第二，光栅位移传感器在测量过程中，由于负载过大，会受到检测平台扭矩的影响，使测量精度下降；第三，应变仪在测量过程中不能发生相当滑动。针对以上问题，我们在硬件设计的环节采取了相应措施，使这一系列问题都得到了较好的解决。

2　系统硬件的设计

图2为我们设计的应变仪自动校准系统硬件图，该应变仪自动校准装置硬件包括：用于运行软件和控制的工控机，用于发送控制脉冲和脉冲计数的数据采集卡，用于测量移动位置的光栅位移传感器，用于应变仪装夹的检测平台，用于实现平台移动的高精度机械传动机构和用于带动机械传动机构的电机等。

1.检测平台；2.压紧块；3.光栅；4.滚珠丝杆；5.驱动电机；6.电器盒；7.应变计传感器

本装置采用的光栅位移传感器，其输出脉冲间隔为0.5μm，输出精度为3μm。为了减小负载过大导致的偏移误差，光栅位移传感器与检测平台平行安装，提高了整套装置的检测精度。

为了保证装置能够承受60kg以上的核定负载，我们采用V型导轨，保证工作台在负载的作用下，运行时不发生偏摆和俯仰；同时利用刚性机构进行连接，保证载荷由减速机构平稳地传递到传动机构；并且采用直径大于25mm的高精度滚珠丝杠，保证运动过程中能精确地传递足够大的扭力。

检测平台采用螺纹和压板装夹，可以满足多种规格应变仪的检测需要。其夹具进行了滚花、淬火以及镀锌处理，增加了装置的硬度和摩擦力，使应变仪能够在运动过程中本身不发生移动。

最终，我们设计并实现的应变仪校准装置实物如图3所示。

图3　测斜仪校准装置实物图

3　测控程序开发

为了保证应变仪校准装置的正常运行，本文在Windows XP操作系统平台上，以VC++6.0为基本软件开发和调试工具，完成了应变仪校准装置的软件设计，具体来说，包括以下步骤，检测校准过程如图4(a)所示。

图4　算法流程图

第一步：程序运行后，等待用户的输入，判断有效后，根据用户的输入预调整检测平台的位置，为下一步的检测校准做准备；

第二步：根据用户输入，计算下一个待校准点所对应光栅位移传感器的脉冲数，启动电机，同时读取光栅位移传感器的脉冲数，得到移动位置，当检测平台到达预定位置时，电机停止转动，用户将应变仪的读数输入计算机；

第三步：重复第二步，直到所有的点都校准完毕，将校准结果以Excel表格的形式输出，包括校准点位置、应变仪读数、实际位置、标定方程和误差等信息。

其中回零过程如图4(b)所示。用户点击回零按钮后，系统根据检测平台和限位信号的位置决定转动方向，自动回到前述记录的零位。

进入检测程序软件后，首先输入送检仪器信息,然后根据检测需要选择测量模式，包括手动模式和自动模式，最后检测人员将被检仪器数据逐步输入计算机进行数据处理并打印出原始记录。

4　测量结果及分析

利用该应变仪自动校准装置对南京基泰土木工程仪器有限公司以及南京水利科学研究院仪器工厂所生产的应变仪产品分别进行了检测。在装置受力的情况下，我们同时用激光干涉仪对装置标定位置进行了校准，实验结果如表1和表2所示。

表1　南京基泰应变仪校准结果　mm

表2　南京水利应变仪校准结果　mm

实验结果表明，在多次重复测量中，实验数据稳定性好，重复性误差小。最大测量范围时的校准误差分别为6μm和8μm，满足了设计的要求。

5　结束语

本文设计并研发了一种对应变仪进行高精度自动校准的系统。实验结果表明，该自动校准系统实现了测量范围0～300mm的应变仪高精度校准，其中校准精度可达到10μm，核定负载能达到60kg，满足了实际应用需求。

[1]朱沙,杨杰斌,黄勇，等.工具式应变计的动态校准方法及不确定度评定[J].实用测试技术,2001(6): 24-25

[2]刘红煜.应变仪器计量检定/校准时注意的问题[J].计量技术,2002(10): 39-40

[3]卢文发,李春兰.直接校准型高温电阻应变计的研究[J].热能动力工程,1991,6(3): 181-184

[4]王霄.应变式加速度传感器灵敏度校准虚拟仪器设计[J].仪器仪表学报，2006,27(6):342-343

[5]British Soc.Strain Meas，UK.Theoretical design of calibration beams for strain gauge factor measuring apparatus[J].Strain，1998,34(3): 99-107

[6]Elsevier，UK.Particular aspects in the calibration and application of strain gauge torque measuring devices for quasi-static alternating torque loading[J].Measurement，2000,27(1): 53-60

[7]薛梓,叶孝佑,杨国梁，等.高精度位移传感器动静态溯源和校准装置的研制[J].计量学报,2008,29(4A): 57-60

[8]周燕.数控机床滚珠丝杠副的选择与计算[J].机床与液压,2005(1): 218-219

[9]宋开臣.三坐标测量机动态误差补偿的研究[J].仪器仪表学报,1999,20(1): 23-25

[10]江卫华,文小玲.交流伺服电机快速准确定位的有效方法[J].电气自动化,2007,29(2): 6-10