CN110849312A - 一种共振式动态应变校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种共振式动态应变校准装置及方法，属于计量测试领域。本发明公开的一种共振式动态应变校准装置，包括激励源、共振梁、激光干涉仪、数控微位移机构，数据采集***、数据处理***。共振梁安装在激励源上构成动态应变激励***，激光干涉仪与数据采集***、数据处理***连接作为标准动态应变测量***。本发明还公开一种共振式动态应变校准装置及方法，在此基础上将应变计安装在校准装置上，针对动态应变计，以激光干涉测量为手段，通过梁表面垂直方向变形曲线拟合，然后对拟合曲线求二阶导数计算动态应变，通过比较标准动态应变和应变计的输出实现应变计的动态校准。本发明适于任何结构形式的共振梁动态应变的溯源。

Description

一种共振式动态应变校准装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于共振梁的动态应变校准装置及方法，尤其涉及用于产生高频大幅值动态应变、并对应变计进行动态校准装置，属于计量测试领域。
背景技术
动态应变测试是结构设计、制造和健康监测的重要手段。准确可靠的动态应变测量数据对于判断结构可靠性，确定结构共振点，检测结构损伤有重要意义。在动态应变测试领域，广泛采用应变片、光纤光栅等应变计粘贴于被测结构表面，获得结构的应变信息。为保证应变计测试的准确性，需要对其进行动态校准。
目前通常采用静态应变校准装置，它可以校准应变计的重复性，迟滞误差等静态特性。应变计的动态校准尚无成熟的方法，其主要问题一是难于产生用于校准的动态应变激励信号，二是动态应变难于溯源。采用悬臂梁的方式可以产生连续可调的低频正弦应变，本发明的特点是采用共振梁的方式产生高频大幅值的正弦应变，并且采用激光干涉仪与微位移平台相结合，实现梁在垂直方向位移的扫描测量，进而计算出共振梁上各点的应变值。
发明内容
本发明公开的一种共振式动态应变校准装置及方法要解决的技术问题是：实现应变计高频率大幅值的动态校准。
本发明目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种共振式动态应变校准装置，包括激励源、共振梁、激光干涉仪、数控微位移机构，数据采集***、数据处理***。共振梁安装在激励源上构成动态应变激励***，激光干涉仪与数据采集***、数据处理***连接作为标准动态应变测量***。在此基础上将应变计安装在校准装置上，通过比较标准动态应变和应变计的输出实现应变计的动态校准。
作为优选，所述一种共振式动态应变校准装置包括一系列不同材料及结构尺寸的共振梁，每只共振梁有不同的一阶共振频率。共振梁为矩形等截面梁，或者为等强度梁，共振梁采用对称结构，以保证振动载荷的平衡性。
作为优选，共振梁的中心牢固地安装于激励源上。采用动态位移测量***扫描测量梁的上表面不同位置在垂直方向的位移。动态位移测量***的响应频率大于正弦应变频率100倍以上。
作为优选，动态位移测量***为激光测振仪、激光干涉仪或激光位移传感器。动态位移测量***安装在高准确度位移机构上，实现沿共振梁上表面位移的扫描测量。
本发明公开的一种共振式动态应变校准方法，基于所述一种共振式动态应变校准装置实现，包括如下步骤：
步骤一、调节振动激励器的振动频率f和幅值；通过振动激励器使共振梁处于稳定的共振状态；所述振动频率f在f1(1±0.5％)频率范围内的某一点。
步骤二、在共振梁表面沿着梁的轴向选取等间距的N个测量点，测量点的坐标为Xn，其中n＝1～N；通过激光测振仪依次扫描每一个测量点，得到每个点的时间和梁在垂直方向位移关系曲线W＝f(t)。所述每个点的测量要求是：在一个点连续测量，其采样频率大于振动频率100倍以上，测量时间大于10个振动周期，连续采集获得M个位移数据，通过对M个位移数据进行正弦拟合获得时间位移曲线Wn＝AnSin(2πft+θn)。。其中，Wn为第n个测量点在t时刻的竖直坐标，An是振动幅值，t为时间，f为振动频率，θn为振动相位。
步骤三、根据步骤二得到的各测量点的挠度状态(Xn，An)，采用三次样条插值，或者多项式拟合，得共振梁表面的峰值挠度曲线：
Figure BDA0002292391090000021
其中，Y(x)为横坐标x处的挠度值，x为共振梁上任意一点沿轴向距共振梁固定端的距离；ri为拟合系数，p为拟合阶数，X为共振梁的端点处坐标坐标。
步骤四、将挠度峰值曲线换算为应变峰值曲线：
Figure BDA0002292391090000022
其中h为共振梁厚度的一半，d2Y(x)/dx2表示Y(x)对x的二阶导数。
步骤五、共振梁校准区域的标准应变为：
ε(t)＝-εmax(Xs)sin(2πft+β) (3)
其中Xs为校准区域中心点的横坐标，εmax(Xs)为Xs处的应变峰值，β为共振梁振动的初始相位。
被校应变计放置在共振梁校准区域内，将被校应变计的输出值与标准应变值进行比较，即实现动态应变校准。
有益效果：
1、本发明公开的一种共振式动态应变校准装置及方法，针对动态应变计，提供一种基于共振梁结构的动态应变校准方法，实现高频率大幅值动态应变校准。
2、本发明公开的一种共振式动态应变校准装置及方法，以激光干涉测量为手段，通过梁表面垂直方向变形曲线拟合，然后对拟合曲线求二阶导数的办法计算动态应变，适于任何结构形式的共振梁动态应变的溯源。
附图说明
图1是本发明结构的结构示意图。
激励源-1；共振梁-2；激光干涉仪-3；数据处理***-4；数控微位移台-5，被校应变计-6，应变解调仪-7，数据采集***-8。
图2是本发明案例中使用的等截面梁，其中图2(a)为正视图，图2(b)为剖视图A-A。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种共振式动态应变校准装置，首先选取一阶固有频率为800Hz的等截面梁2，具体结构尺寸参考说明书附图2。将共振梁2牢固地安装在激励源1上。将被校应变计5安装于共振梁2下表面，并将应变解调仪6与被校应变计5连接。将激光干涉仪4架设于数控微位移平台3上，调节激光光束，使其可以扫描测量共振梁2的上表面。将应变解调仪6和激光干涉仪4的输出信号分别接入数据采集***7，然后由数据处理***8分析校准结果。
校准过程中，启动激励源，设定激励源激振频率为共振梁2的固有频率800Hz，激发共振梁2共振。设定激光干涉仪4扫描测量共振梁2的上表面，测量共振梁2上表面垂直方向的位移，数据采集***7同步采集激光干涉仪4和应变解调仪6输出信号，然后由数据处理***8分析，最终获得应变计的幅频特性和相频特性
本实施例公开的一种共振式动态应变校准方法，基于所述一种共振式动态应变校准装置实现，具体实现步骤如下：
步骤一、开启振动激励器使等强度共振梁2处于稳定的振动状态，振动频率800Hz。
步骤二、开启扫描式激光测振仪，在等截面悬臂梁2上表面等距设置50个测量点，并设置测量频率为200kHz，每次采样时间长度为1s，即测量800个振动周期。
设测量点的横向坐标为Xp，其中p为小于等于1000的正整数。连续测量点p在竖直方向的位移测量时间长度为1s。获得位移和时间关系曲Wp＝ApSin(1600πt+θ)，获得每个点的振动幅值(Wp，Ap)系列。
X<sub>p</sub>(mm) 108 107 106 105 104 103 102 101 100 99
W<sub>p</sub>(μm) 294.3 290.5 286.7 283.0 279.2 275.4 271.6 267.9 264.1 260.3
X<sub>p</sub>(mm) 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89
W<sub>p</sub>(μm) 256.5 252.8 249.0 245.2 241.5 237.7 234.0 230.2 226.5 222.7
X<sub>p</sub>(mm) 88 87 86 85 84 83 82 81 80 79
W<sub>p</sub>(μm) 219.0 215.3 211.5 207.8 204.1 200.4 196.7 193.0 189.3 185.7
X<sub>p</sub>(mm) 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69
W<sub>p</sub>(μm) 182.0 178.4 174.7 171.1 167.5 163.9 160.3 156.7 153.2 149.7
X<sub>p</sub>(mm) 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59
W<sub>p</sub>(μm) 146.2 142.7 139.2 135.7 132.3 128.9 125.5 122.1 118.8 115.5
步骤三、采用5次多项式进行拟合，由于已知(Wp，Ap)，则梁上任意位置的横坐标x对应的位置挠度峰值态为Y(x)：
Y(x)＝ax5+bx4+cx3+dx2+ex+f (4)
其中a，b，c，d，e，f为拟合系数，a＝2.596；b＝-0.372，c＝-0.150，d＝0.042，e＝5×10-5,f＝-6×10-7，通过拟合求出。
步骤四、换算得悬臂梁的峰值应变曲线：
Figure BDA0002292391090000041
步骤五、共振梁校准区域的标准应变为：
ε(x,t)＝(51.92x3-4.464x2+0.9x+0.048)×0.006×sin(1600πt+β) (6)
将标准应变值与应变计测量值进行比较，实现对应变计的校准。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种共振式动态应变校准装置，其特征在于：包括激励源(1)、共振梁(2)、激光干涉仪(3)、数控微位移机构，数据采集***(8)、数据处理***(4)；共振梁(2)安装在激励源(1)上构成动态应变激励***，激光干涉仪(3)与数据采集***(8)、数据处理***(4)连接作为标准动态应变测量***；在此基础上将应变计安装在校准装置上，通过比较标准动态应变和应变计的输出实现应变计的动态校准。
2.如权利要求1所述的一种共振式动态应变校准装置，其特征在于：所述一种共振式动态应变校准装置包括一系列不同材料及结构尺寸的共振梁(2)，每只共振梁(2)有不同的一阶共振频率；共振梁(2)为矩形等截面梁，或者为等强度梁，共振梁(2)采用对称结构，以保证振动载荷的平衡性。
3.如权利要求2所述的一种共振式动态应变校准装置，其特征在于：共振梁(2)的中心牢固地安装于激励源(1)上；采用动态位移测量***扫描测量梁的上表面不同位置在垂直方向的位移；动态位移测量***的响应频率大于正弦应变频率100倍以上。
4.如权利要求3所述的一种共振式动态应变校准装置，其特征在于：动态位移测量***为激光测振仪、激光干涉仪(3)或激光位移传感器；动态位移测量***安装在高准确度位移机构上，实现沿共振梁(2)上表面位移的扫描测量。
5.一种共振式动态应变校准方法，基于如权利要求1、2、3或4所述的一种共振式动态应变校准装置，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、调节振动激励器的振动频率f和幅值；通过振动激励器使共振梁(2)处于稳定的共振状态；所述振动频率f在f1(1±0.5％)频率范围内的某一点；
步骤二、在共振梁(2)表面沿着梁的轴向选取等间距的N个测量点，测量点的坐标为Xn，其中n＝1～N；通过激光测振仪依次扫描每一个测量点，得到每个点的时间和梁在垂直方向位移关系曲线W＝f(t)；所述每个点的测量要求是：在一个点连续测量，其采样频率大于振动频率100倍以上，测量时间大于10个振动周期，连续采集获得M个位移数据，通过对M个位移数据进行正弦拟合获得时间位移曲线Wn＝AnSin(2πft+θn)；；其中，Wn为第n个测量点在t时刻的竖直坐标，An是振动幅值，t为时间，f为振动频率，θn为振动相位；
步骤三、根据步骤二得到的各测量点的挠度状态(Xn，An)，采用三次样条插值，或者多项式拟合，得共振梁(2)表面的峰值挠度曲线：
Figure FDA0002292391080000011
其中，Y(x)为横坐标x处的挠度值，x为共振梁(2)上任意一点沿轴向距共振梁(2)固定端的距离；ri为拟合系数，p为拟合阶数，X为共振梁(2)的端点处坐标坐标；
步骤四、将挠度峰值曲线换算为应变峰值曲线：
其中h为共振梁(2)厚度的一半，d2Y(x)/dx2表示Y(x)对x的二阶导数；
步骤五、共振梁(2)校准区域的标准应变为：
ε(t)＝-εmax(Xs)sin(2πft+β) (3)
其中Xs为校准区域中心点的横坐标，εmax(Xs)为Xs处的应变峰值，β为共振梁(2)振动的初始相位；
被校应变计(6)放置在共振梁(2)校准区域内，将被校应变计(6)的输出值与标准应变值进行比较，即实现动态应变校准。
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