工具式应变传感器动静态特性测量装置的研究

林喜鉴

摘要：文中主要针对应变计静态和动态计量特性参数测量进行研究，包括应变计动静态一体化测量装置的总体结构及各模块的具体设计；然后对所设计出的测量装置进行动静态特性参数的实验测量验证，并进一步讨论分析论证实验数据可靠性，以验证文中所提出的装置可用于开展应变计静态和动态计量特性参数的测量，为计量行业研究人员实现应变计动静态特性参数的测量提供一种参考。

关键词：应变计；静态；动态；应变

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

工具式應变传感器（以下简称“应变计”），是将应变量（形变量）转化为电信号（电压、电流或频率）变化输出的传感元件。应变计通常与应变数据采集器配套组成应变监测系统，用于长期动态监测（如梁、柱、桩基等）、钢结构（如大型厂房、场馆里的钢梁、钢柱、钢桁架等）由于工作应力、温度应力、干缩应力而引起的应变值，故广泛应用于桥梁、建筑、铁路、交通、水电、大坝工程监测领域[1]。

而应变计作为应变监测系统中的关键部件，其性能的好坏直接关系到应变监测数据的准确性和可靠性。特别是计量特性参数，对被监测结构的安全性、耐久性与健康性评价的准确性都有很大的影响，因此实现应变计计量参数准确测量和深入研究是十分有价值的[1]。

1动静态计量特性

应变计具有静态和动态两种计量特性，静态特性反映了输入量为定值或变化缓慢时，应变计的输出量与输入量的关系，包括静态灵敏度、线性度、重复性、零值误差、稳定度等。动态特性反映了输入量为正弦稳态变化时，应变计的输出量与输入量的关系，包括参考灵敏度、频率响应、幅值线性度等[2]。

在应变计动静态计量特性校准中，主要依据JJG 930-2021《基桩动态测量仪检定规程》校准方法中的6.3.3 动测仪应变测量系统，按功能可分为静态校准和动态校准。

2 动静态测量装置

结合应变测量传感器校准项目、校准方法的要求，该应变测量传感器动静态测量装置的总体设计理念是用计算机控制取代人工操作，提高测量精度和测量效率，实现测量过程的全自动化，并具有结构简单、安装可靠、操作便捷等特点。

2.1 总计结构

应变计动静态测量装置总体结构框图如图1所示，装置主要由机械系统（包括机架、振动台、伺服电机、螺母丝杠运动机构、导轨、滑台等）、驱动系统（包括信号发生器、功率放大器、电机控制器等）、测量系统（包括光栅位移传感器、加速度计、数据采集器等）、计算机控制系统（包括下位机系统、上位机及测控软件）等组成。

动态校准时，首先将被校应变计一端固定在机架上，另一端固定在振动台台面上，然后由计算机控制系统发出命令控制信号发生器输出设定频率和幅值的正弦信号，通过功率放大器驱动振动台工作，并由标准加速度计测量振动台输出加速度值，进而计算得到振动台振动位移值，从而算出施加到被校准应变计上的标准应变值，而被校准应变计输出电压信号与标准应变值之比，可得到被校准应变计的动态灵敏度值。各频率点下的动态灵敏度按公式（1）计算[3]。

式中：

S—— 应变测量传感器的动态灵敏度，μV/με；

U——应变测量传感器的输出电压，μV；

a——标准振动台的加速度值，m/s2；

f——標准振动台的振动频率，Hz；

L0——应变测量传感器标距，m。

静态校准时，首先将被校应变计一端固定在机架上，另一端固定在滑台上，然后由计算机控制系统发出命令控制电机控制器驱动伺服电机工作，并通过螺母丝杠机构带动滑台每次以被测应变计10%量程做线性位移运动，共有11个测量点。上位机通过光栅位移传感器和数据采集卡依次记录各测量点的位移值和应变计的输出电压值。静态灵敏度的计算采用最小二乘法，按式（2）计算。

式中：

S—— 应变测量传感器的静态灵敏度，μV/με；

n——检测次数（i=1，2，3，…，n）；

Li——第i点的给定位移值，m；

L0——应变测量传感器标距，m；

根据上述设计思路，应变计动静态测量装置分为三部分进行设计：机械系统、硬件系统、软件系统。

2.2 机械系统

机械系统是整个测量装置的基础，功能上主要是实现机械运动和传感器安装。机械运动是实现被测应变传感器做直线位移和振动位移运动，传感器的安装是满足不同规格的应变计安装且满足传感器安装的技术要求。

机械系统主要包括机架、静态运动机构（螺母丝杠运动机构、导轨、滑台）、动态运动机构（振动台）和多功能传感器安装机构等。一体化自动校准装置机械结构见图2。

2.3 硬件系统

硬件系统为整个测量装置所用到的所有电子硬件设备，按装置功能分为静态特性系统和动态特性系统。

2.3.1 静态特性硬件系统

静态特性硬件系统由直线位移运动系统、直线位移测量系统和应变计输出采集系统组成。其中，直线位移运动系统由工控机、运动控制卡、驱动器和电机组成，直线位移测量系统由工控机、数据采集卡和光栅尺组成，应变计输出采集系统由工控机、数据采集卡、被测应变计系统组成。系统硬件总体框架图如图3所示[4]。

本系统中工控机和DMC3600运动控制器、NI 6356多功能数据采集卡组成上位控制和采集单元。工控机通过DMC3600运动控制卡发送运动控制指令给CL57D数字式闭环步进驱动器，驱动60CMW22X闭环伺服电机传动KK6010P型直线运动导轨上安装有被测应变计的滑块运动。同时固定在滑块上的光栅读数头与贴在直线导轨上的RGS20光栅尺带输出相应位移量的光栅脉冲信号，NI 6356 数据采集卡I/O计数器端对光栅脉冲信号进行计数，并实时反馈给PC机。同时NI 6356 数据采集卡模拟输入端采集被测应变计的输出电压，从而实现被测应变计静态特性参数的测量。静态特性硬件系统的技术指标如下：

① 最大加载力：2000N；

② 直线位移测量范围：（0～5）mm；

③ 直线位移定位精度：10μm；

④ 静态应变测量范围：（0～2000）?ε（p）；

⑤ 电压采集系统：16bit；

⑥ 测量不确定度优于1%（=2）。

2.3.2 动态特性硬件系统

动态特性硬件系统由振动位移激励系统、振动位移测量系统和应变计输出采集系统组成。其中，振动位移激励系统由工控机、数据采集卡、功率放大器和标准振动台组成，振动位移测量系统由工控机、数据采集卡、标准加速度计和电荷放大器组成，应变计输出采集系统由工控机、数据采集卡、被测应变计系统组成。系统硬件总体框架图如图4所示。

本系统中工控机和NI 6356多功能数据采集卡组成上位控制和采集单元。工控机通过调节数据采集卡模拟输出端的正弦信号（频率和幅值），通过功率放大器驱动标准振动台做正弦振动。经安装在振动台中心台面上标准加速度计套组拾取转换为交流电压信号输出，NI 6356 数据采集卡模拟输入端同时采集标准加速度计套组和被测应变计的输出电压，并实时反馈给工控机，从而实现被测应变计动态特性参数的测量。动态特性硬件系统的技术指标如下：

① 最大激振力：500N；

② 振动频率：（5～2000）Hz；

③ 动态位移测量范围：（0.01～2.00）mm（pp）；

④ 动应变测量范围：（0.1～500）?ε（p）；

⑤ 电压采集系统：16bit；

⑥ 测量不确定度优于3%（=2）。

2.4 软件系统

基于Labview的应变测量传感器动静态测量装置的软件系统是在硬件系统的基础上进行结构设计和功能开发的，故软件系统结构上主要包括静态特性、动态特性两个软件模块；功能上主要实现直线位移运动控制、振动位移运动控制和被测应变计输出采集，同时能够对动静态特性参数进行计算，保存，并能够生成测试报告。上位机软件提供已于操作的人机交互界面，并根据相应操作指令完成应变计动静态特性自动化测量。静态特性软件模块主界面如图5所示，动态特性软件模块主界面如图6所示。

3测量实验

3.1 实验方案

本次选用北京盛赛克公司生产的CYB-YB-F1K型的应变测量传感器进行动静态特性参数的测量实验，CYB-YB-F1K型的应变测量传感器的测量范围为±1000?ε，标称标距为76.2mm。实验方法依据JJG 930-2021《基桩动态测量仪检定规程》6.3.3 动测仪应变测量系统。

3.2 实验结果与分析

│En│≤1 则测量结果为满意；

│En│＞1 则测量结果为不满意。

表1是该一体化测量装置和中国计量院测量装置对CYB-YB-F1K应变测量传感器的声场特性参数测量结果。从校准结果对比验证可知，该装置对应变测量传感器的校准结果（静、动态灵敏度）满足对比验证，可作为应变测量传感器校准用测量装置，用于开展对应变测量传感器的校准[5]。

4结语

文中主要针对应变计静态和动态计量特性参数测量进行研究，包括应变计动静态一体化测量装置的总体结构及各模块的具体设计，然后对所设计出的测量装置进行动静态特性参数的实验测量验证，并进一步讨论分析论证实验数据可靠性，以验证文中所提出的装置可用于开展应变计静态和动态计量特性参数的测量。

参考文献

[1]戴显著.工具式应变传感器在桥梁检测中的应用研究[D].重庆交通大学，2015.

[2]张伟，张跃，张智敏，等.应变式力传感器动态特性研究及动态补偿[J].计量学报，2012，33（1）：35-38.

[3]基桩动态测量仪检定规程：JJG 930-2021[S].

[4]张勇，梁平，张玉珍，等.振弦应变传感器校准装置的设计[J].工业仪表与自动化装置，2011，（4）：52-55.

[5]袁兴起，陈恺，崔建军，等.应变传感器计量特性的校准方法[J].计量学报，2018，39（6）：835-84.