专利名称：一种大型应变测试系统及其性能调试方法
技术领域：
本发明涉及传感器测试技术、电子技术领域，具体指一种适用于大型应变测试系 统实现精确应变测试的方法。
背景技术：
在工程实际中，大型应变测试系统的一个重要特征是应变测试点的数量大，通常 可达几百点之多，而在大型应变测试系统的应用中，会使用大量的相关装置和元器件，并且 有较多的工作人员参与系统的安装、调试和使用。由于系统采用的众多装置或元器件之间 性能的差异，以及工作人员的操作方式与方法之间的差别，使得大型应变测试系统的测试 结果出现严重失真，造成被测信号的幅值偏差较大，甚至出现信号的极性错误。
发明内容
本发明的目的为克服上述现有技术存在的缺失，保证大型应变测试系统在工程应 用中不受装置或元器件之间性能的差异、以及工作人员的操作方式与方法之间差别的影 响，测得的信号极性正确、幅值偏差小，确保系统的测试结果稳定、准确，实现大型应变测试 系统的精确测试，并为系统测试结果的分析提供可靠依据。本发明一种大型应变测试系统，通常采用如图1所示的结构形式，而其实际上是 由若干个应变测试子系统和一台中央计算机组成。图中，应变测试子系统的连接关系首先 在待测结构的测点部位安装电阻应变片组成应变电桥进行结构内部应变信号的采集，然后 将应变电桥的信号通过长约5m的四芯测试电缆接入到信号调理器进行信号放大和相关的 调理，再将信号调理器输出的已经经过放大的模拟信号采用单芯线输入到对应的一个信号 采集器将其转换为数字信号，通过数据通讯方式(可为485通讯)传输到中央计算机。同 时，其它应变测试子系统输出的数字信号亦可接入同一根数据通讯线，按数据采集器内单 片机的地址格式进行排列传入到中央计算机，最后通过中央计算机将数字信号进行处理、 储存并显示给应变测试技术人员进行分析。在系统中，应变测试的敏感元件应变电桥，其主要由四个单轴电阻应变片按惠登 斯电桥模式组成全桥格式进行电压的输入与输出；对应变信号进行放大和其它处理的信号 调理器，其主要由信号放大器、供桥电源、调平衡电位器组成；信号放大器用于对采集的应 变信号进行放大，供桥电源为调平衡电位器提供供桥电压，调平衡电位器，通过调整电位实 现对微弱信号的足够放大；信号采集器，其主要由A/D转换芯片和单片机组成；其中，A/D转 换芯片的作用是把经过放大的模拟量应变信号转换为数字信号，单片机的作用是将数字信 号进行统一编码，按单片机的数字格式进行数字信号的传输，并利用单片机数据通讯的方 式将数字量应变信号传输到中央计算机；中央计算机，其主要作用是把各个应变电桥测得 的应变信号进行信号处理、存储、显示等。图中的应变测试的子系统，能够独立完成应变测 试的应变信号获取和信号采集。一个大型应变测试系统实际上是由若干个应变测试子系统 和一台中央计算机组成。
对于具有数百个测试点的大型应变测试系统来说，其子系统的相关装置或元器件 的一致性、以及工作人员的操作方式和方法的一致性显得尤为重要，否则将给系统的安装、 调试和使用造成极大的困难。为了保证大型应变测试系统各子系统测试性能的一致性，在应变测试系统的设计 和性能调试中采用了归一化的方法，即(1)应变测试所用电阻应变片的贴片、组桥和接线按照统一的规范操作(如图2所 示)，确保所有应变电桥输出信号的幅值及极性与被测的应变严格一致。(2)在信号调理器的应变电桥信号输入电路中(如附图3所示)，统一设置了电桥 输出不平衡调整装置_调平衡电位器，以实现对微弱信号的足够放大，并且在测试系统，设 置了应变电桥输出不平衡补偿功能(清零功能)的软件。(3)信号调理器的信号放大倍数(如附图3所示)可以微调。利用统一的高精度 真实应变信号源，对信号调理器的放大倍数进行精细调整，使得应变测试系统中的所有信 号调理器对同一应变信号经过放大后的信号幅值精确一致，排除了传统的应变测试系统中 由于各个信号调理器的供桥电压和放大倍数引起的测量结果差异。(4)选用高输入阻抗(彡108Ω)、高精度(彡16位)的A/D转换芯片，使A/D转 换环节的负载效应引起的测量误差可以忽略不计，并能使得应变测试得到的模拟信号精确 地转换为数字信号。(5)在信号采集器中引入单片机进行数字信号的统一编码，按单片机的数字格式 进行数字信号的传输，确定每个数字信号的地址即可确定数字信号的来源，防止串码发生。运用上述归一化的应变测试系统设计与性能调试方法，能够确保每个应变测试子 系统的性能高度一致(差别小于0. 02% )，任何一个应变测试点的测试结果只与其应变的 幅值和极性有关，而所用的应变测试子系统性能的差异对测试结果的影响可以忽略不计， 为大型应变测试系统的安装、调试和使用带来极大的便利。
图1为本发明适用的大型应变测试系统连接框图；图2为本发明的电阻应变片贴片、组桥和接线图；图3为本发明的信号调理器原理图；图4为本发明的信号采集器原理图。附图标记号说明I-应变电桥；2-信号调理器；3-信号采集器；4-中央计算机；5-电阻应变片；6-信号放大器；7-供桥电源；8-调平衡电位器；9-A/D转换芯片；
10-单片机。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。在某高炉大修工程结构应力应变测试项目中，对高炉框架及相关辅助结构的400 个应力应变测试点采用了大型应变测试系统(如图1所示)。在该项目的实施过程中，对工作人员严格按照统一的电阻应变片5贴片、组桥和 接线规范操作(如图2所示)；工作人员对电桥输出不平衡和信号调理器2的信号放大倍 数进行精确调整，并应用软件的清零功能，使得各个信号调理器之间的测试结果差别小于 0.02%;选用高输入阻抗(彡108Ω)的16位A/D转换芯片9 (如附图4所示)，使得应变测 试得到的模拟信号精确地转换为数字信号(该A/D转换的转换量化误差小于0. 02% )。测试过程的主要的步骤为第一步在待测结构的测试部位由一组固定的工作人员粘贴同一类型的电阻应变 片5，并严格按照惠登斯电桥格式组成全桥待测，并检验全桥每个桥臂的电阻是否平衡，然 后进行应变电桥输入输出电压测试线的连接，测试线采用四芯电缆(四芯四种颜色，如红 黄绿蓝)，并规定其中两种颜色为应变电桥电压输入线(如红黄)，另两种颜色为应变电桥 输出线(如绿蓝)，确定颜色后进行焊接固定。第二步将全部粘贴好的应变电桥的四芯测试电缆按固定顺序(如红黄绿蓝)一一 接入至信号调理器2接线端子，再将信号调理器2的输出线一一接入信号采集器，同时可将 信号采集器3的输出端接好数据通讯线(485通讯线)，准备接入中央计算机4，其中所有信 号采集器3输出端的数据通讯线可在最近的位置连接起来，最后汇入一根数据通讯线进入 中央计算机4。第三步开始进行信号调理，即对每个信号调理器的每一个测试通道进行放大倍数 的确定(一般应变输出信号为mV级信号，经信号放大器放大后输出为V级信号)，给每个 信号放大器6的每一个测试通道依次连接一个固定高精度真实应变信号源，看其显示数据 为多少，微调调平衡电位器8将其输出信号调至某一值，精确至小数点后三位，即mV单位， 然后依次对每一个通道进行调试，数据均调至第一个调试通道设置的值附近，允许误差为 士5mV，这样，每一个通道的放大倍数就基本达到了完全一致。第四步将全部应变电桥接入信号调理器2，并接好中间所有线缆，开启中央计算机 4进行联机调试，对每一个应变电桥的显示值通过测试软件进行清零操作，经过以上步骤， 应变测试的信号就达到了完全的统一、真实、并有利于进行数据的分析。本发明所述的大型应变测试系统的测试结果与高炉框架及相关辅助结构精确的 理论分析结果及变形测试系统的测试结果良好吻合，系统的测试结果稳定、可靠。
权利要求
一种适用于大型应变测试系统，其特征是，至少2个以上应变测试子系统与一台中央计算机组成，所述的应变测试子系统包括应变电桥(1)和信号调理器(2)及信号采集器(3)以数据通讯传输方式与计算机(4)连接组成。
2.如权利要求1适用于大型应变测试系统，其特征是，所述的应变电桥(1)，由桥臂的 电阻应变片(5)与供桥电源(7)连接组成；所述的信号调理器(2)，由一信号放大器(6)与 供桥电源(7)及在与应变电桥(1)信号输入电路中设置一电桥输出不平衡调整和不平衡补 偿清零功能的电位器⑶连接组成；所述的信号采集器⑶由一 A/D转换芯片(9)与单片 机(10)连接组成。
3.如权利要求1所述的一种适用于大型应变测试系统性能调试方法，其特征是，A. 1在待测结构的测试部位粘贴同一类型的电阻应变片，并严格按照惠登斯电桥格式 组成应变电桥(1)全桥模式待测；A. 2检验应变电桥(1)全桥每个桥臂的电阻是否平衡，然后进行应变电桥(1)输入、输 出电压测试线的连接；A.3测试线采用红、黄、绿、蓝四芯电缆，其中，两种颜色为应变电桥电压输入线，如红、 黄；另两种颜色为应变电桥输出线，如绿、蓝，确定颜色后进行焊接固定；B.1将全部粘贴好的应变电桥的四芯测试电缆按固定顺序，如红、黄、绿、蓝一一接入至 信号调理器(2)接线端子，再将信号调理器(2)的输出线一一接入信号采集器(3)，同时将 信号采集器(3)的输出端与数据通讯线，如485通讯线连接，其中，所有信号采集器(3)输 出端的数据通讯线，可在最近的位置连接起来，最后所有数据采集器(3)接出的通讯线连 接全部起来进入中央计算机(4)；C.1开始进行信号调理，即对每个信号调理器(2)的每一个测试通道进行放大倍数的 确定，一般应变输出信号为mV级信号，经信号放大器放大后输出为V级信号；C.2给每个信号放大器(6)的每一个测试通道依次连接一个固定高精度真实应变信号 源，检查其显示数据，微调调平衡电位器(8)，将其输出信号调至某一设定值，精确至小数点 后三位，即mV单位，然后依次对每一个通道进行调试，数据均调至第一个调试通道设置的 值附近，允许误差为士5mV;D.1将全部应变电桥(1)接入信号调理器(2)，并接好信号调理器(2)与信号采集器 (3)、信号采集器(3)与中央计算机(4)之间的所有线缆，开启中央计算机(4)进行联机调 试，对每一个应变电桥(1)的显示值通过测试软件进行清零操作；D. 2进行数据分析。
全文摘要
本发明一种大型应变测试系统及其性能调试方法，涉及传感器测试技术、电子技术领域，具体指一种适用于大型应变测试系统，由至少2个以上应变测试子系统与一台中央计算机组成，所述的应变测试子系统包括应变电桥1和信号调理器2及信号采集器3，以数据通讯传输方式与计算机4连接组成。精确应变测试采用归一化方式确保所有应变电桥输出信号的幅值及极性与被测的应变严格一致，在信号调理器的应变电桥信号输入电路中设一应变电桥输出不平衡补偿功能的电位器8，应变测试系统中的所有信号调理器对同一应变信号精确一致，选用高输入阻抗、高精度A/D转换芯片及防止串码发生的单片机，从而为大型应变测试系统的安装、调试和使用带来极大的便利。
文档编号G01B7/16GK101957167SQ20091005514
公开日2011年1月26日 申请日期2009年7月21日 优先权日2009年7月21日
发明者严勇, 包朝亮, 周仕仁, 张立华, 朱超甫, 钟声 申请人:上海宝冶工程技术有限公司