一种应变计标定的装置的制作方法

本发明属于应变计标定领域，特别涉及通过力载荷加载对应变计进行标定的领域。

背景技术：

应变计标定是使用应变计的第一步，应变计标定装置是进行应变计基本参数标定实验的一个综合平台。该装置最主要的作用是标定应变计的各项特性参数，如：灵敏度系数、零点漂移和热输出等，标定这些参数能确保应变计所测量参数的准确性。

国家对常温应变计的参数标定已有明确的国家标准和测试手段，而900℃以上高温应变计因其研制难度大，国内还未形成产业，因而未制定参数标定的行业标准。

另外，由于目前进口高温应变计产品随厂家附带的参数不完整，对高温应变计进行标定也能对产品说明书上已有的参数进行验证与评价，还可进行其它参数的补充标定。这对于使用和掌握高温应变计性能参数，提高实际应变测量精度都有重要的使用价值。

高温应变标定装置还是一个多功能综合实验平台，除了标定高温应变计本身参数以外，还可用于与测量构件组装后的参数标定以及高温板梁的弹性模量的标定。

目前现有应变计标定装置，有些仅能实现常温下单一参数标定功能，有些虽能实现高温多参数标定但采用了人工手动施加砝码方式来实现，标定功能可实施性差，需要人工记录试验数据，试验结果受人为因素影响大，导致标定执行效率低、标定结果不可控。因此，发明一种多功能高温应变计自动标定装置具有重要的实用价值。

技术实现要素：

本实用新型针对传统应变计标定的装置中，力载荷的加载只能依靠人工加减砝码的方式来进行，且该方式只能实现力载荷的有级加载。本实用新型提出了一种能够实现力载荷的无级加载的装置。

根据上述目的，本实用新型提供一种应变计标定的装置，所述装置包括：伺服电机；竖直方向上的施力杆，所述伺服电机经由传动单元驱动所述施力杆沿竖直方向上下运动；与所述施力杆垂直，在所述施力杆的上端与之连接的横梁；与所述横梁垂直且相互平行的两根传力杆，所述两根传力杆的下端与所述横梁连接；以及弯矩梁和用于支撑所述弯矩梁的支撑件，所述两根传力杆的上端分别在所述弯矩梁的横向中点两侧，且与横向中点距离相等的位置处与所述弯矩梁连接，以在所述施力杆上下移动时向所述弯矩梁加载大小相等的两个垂直力以在所述弯矩梁上产生具有预设应变的等应变区，所述应变计粘贴在所述弯矩梁的所述等应变区内以感测应变大小。

在一实施例中，所述装置还包括：应变参数测量单元，用于测量与产生的所述等应变区的应变相关的应变参数；以及加载控制单元，用于基于实测的应变参数实现对所述伺服电机的闭环控制。

在一实施例中，所述测量单元包括：测力传感器，所述施力杆通过所述测力传感器与所述横梁连接，以通过所述测力传感器测量所述施力杆施加到所述横梁的力载荷，所述应变参数为所述测力传感器测得的所述力载荷。

在一实施例中，所述测量单元包括：位移传感器，通过拉杆与所述弯矩梁的横向中点连接，以测量所述弯矩梁的横向中点的位移，所述应变参数为所述位移传感器测得的所述位移。

在一实施例中，所述装置还包括：加热炉，所述弯矩梁位于所述加热炉内，以获得标定所述应变计的温度条件。

在一实施例中，所述装置还包括：温度测量单元，用于测量所述弯矩梁的温度；以及温度控制单元，用于基于测得的温度实现对加热炉温度的闭环控制。

在一实施例中，所述两个传力杆中的每根传力杆包括串联的第一拉杆和第二拉杆，所述第二拉杆伸入所述加热炉内，以在加热条件下对所述弯矩梁进行力载荷加载，所述第二拉杆由耐热材料制成。

在一实施例中，所述施力杆的上端连接至所述横梁的中间位置，所述两个传力杆的下端分别与所述横梁的两端连接。

在一实施例中，所述施力杆为滚珠丝杆，所述传动单元包括：能绕竖直轴线转动的连接轴，所述连接轴具有内螺纹；转动传导组件，用于将所述伺服电机的转动输出传导给所述连接轴，以使得所述连接轴绕竖直轴线转动，其中，所述滚珠丝杆的外螺纹与所述连接轴的内螺纹配合，当所述连接轴绕竖直轴线转动时，所述滚珠丝杆沿竖直轴线上下运动。

在一实施例中，所述转动传导组件包括：与所述伺服电机的输出轴固定连接的电机带轮；由所述电机带轮带动而转动的从动带轮，所述从动带轮带动所述连接轴绕竖直轴线转动。

在一实施例中，所述装置还包括：减速机，用于降低所述伺服电机的转速，进而减小通过所述滚珠丝杆施加到所述弯矩梁的力载荷的变化梯度。

本实用新型通过施力杆和传力杆组合的方式，使加载合力转换成两个大小相等的力施加到弯矩梁上，保证了弯矩梁在两个力之间的应变大小均匀一致，并通过伺服电机实现了力载荷的无级加载方式，取代了砝码分段有级加载方式，提高标定精度的同时，节省了人工劳动。

附图说明

图1示出了弯矩梁的受力示意图；

图2示出了本实用新一种应变计标定的装置一个方面的结构示意图；

图3示出了应变计标定的流程图；以及

图4示出了本发明应变计标定的装置一个方面的框图。

符号说明：

101、207、401：弯矩梁

102：支撑件

103、104：力

111、2001：弯矩梁横向中点

201：伺服电机

202：施力杆

203：传动单元

204：横梁

205、206：传力杆

208：支撑件

209：测力传感器

210：位移传感器

211：加热炉

212：温度测量单元

2051、2061：第一拉杆

2052、2062：第二拉杆

2031：连接轴

213：减速机

402：力加载控制系统

403：位移控制系统

404：伺服电机

405：加热系统

406：温度控制系统

具体实施方式

在一实施例中，可借由弯矩梁受力后产生的应变来标定应变计。请参看图1(a)，图1(a)示出了弯矩梁的受力示意图。

在弯矩梁101的横向中点111处设置支撑件102，所谓横向中点即弯矩梁的长度方向的中点，支撑件102用于支撑弯矩梁101。同时，在弯矩梁101的两个端点处设置支撑点，与支撑件102共同支撑弯矩梁101。

在弯矩梁101上距离其横向中点111相等距离，且在横向中点111两侧的位置处，施加两个大小相等，方向向下的两个力103和力104，即力103的施力点A处距离横向中点111的距离与力104的施力点B处距离横向中点111的距离相等。

弯矩梁101在上述的受力条件下产生的受力挠度图如图1(b)所示，从图1(b)中可以很直观的看出来，在图1(a)中的A点和B点之间，弯矩梁的受力挠度相等，弯矩梁的受力弯矩相等，即A点和B点之间为等弯矩区间。在A点和B点之间弯矩M为：

M＝Fa (1)

在A点和B点之间的应变ε也均为恒定值为：

ε＝(12hω_max)/(4a^2-3L^2) (3)

其中，L、b、h分别为弯矩梁几何尺寸的长、宽、高；F为加载到弯矩梁上向下的力，即图1中的力103或力104；a为弯矩梁上力加载点到该力加载侧弯矩梁末端的距离，E为材料弹性模量。在图1中即为A点到弯矩梁左侧末端的距离，也为B点到弯矩梁右侧端点的距离。

从而，由式(1)、式(2)和式(3)得到，弯矩梁中间段，即两个力载荷施加点之间的应变ε仅与力载荷F或等弯矩区间的挠度ω_max有关。

将应变计贴于弯矩梁等弯矩区间内，根据弯矩梁实际受力产生的应变和应变计测量得到的应变数值，即可对应变计进行标定。

上述运用弯矩梁进行应变计标定的好处在于：

1)梁的加工制造方便，容易达到很高的加工精度，进而支持较高的测量精度，且由于梁在施加在其上的力载荷消失后，能够较好地恢复形变，进而支持重复标定；

2)梁中间等弯矩区间只有正应力且应变处处相等，极大方便了贴片，可在等应变区间内的任意位置粘贴应变计，且可同时粘贴多个应变计，即支持多个应变计的同时标定。最大限度减小了贴片引起的误差；

3)在进行高温应变计标定时，梁的几何形状规则，尺寸均匀，加温时内部传热均匀，便于应变传递。

为了更好地将力载荷加载到弯矩梁上，进而进行应变计的标定。本实用新型提供一种应变计标定的装置，请参看图2，图2示出了本实用新一种应变计标定的装置一个方面的结构示意图。在一实施例中，所述装置包括：

伺服电机201，力载荷的来源，伺服电机的使用替代了传统技术中，运用手工加减砝码的方式来控制加载到弯矩梁上的力载荷。

伺服电机支持无级加载，取代了砝码分段有级加载方式，使加载过程更加方便和精细化，满足不同形式的加载力大小的要求。

所述装置还包括，竖直方向上的施力杆202，伺服电机201经由传动单元203驱动施力杆202上下运动。

伺服电机的输出是转动输出，而最终加载到弯矩梁上的力是平动的力载荷。需要通过传动单元203将伺服电机的转动输出转化为平动输出。

所述装置还包括，与施力杆202垂直，在施力杆202的上端与之连接的横梁204，横梁204水平放置。

当施力杆202沿竖直方向上下运动时，即可带动横梁204在竖直方向上下运动，也就完成了力载荷从施力杆202到横梁204的传递。

设置横梁的目的是为了将传递的力载荷一分为二。所述装置还包括：与横梁204垂直且相互平行的两根传力杆205和传力杆206，两根传力杆的下端与横梁204连接。

在竖直方向上，两根传力杆与施力杆202位于横梁204的两侧。这样，竖直方向的力载荷就通过施力杆202传递给横梁204，横梁204再将力载荷传递给两根传力杆。

上述结构的设置，使得传力杆205和传力杆206上受到的力载荷相等，且都为施力杆202上受到力载荷的一半，即完成了将一个力分解为大小相等的两个力的过程。

所述装置还包括，弯矩梁207和用于支撑弯矩梁207的支撑件208，传力杆205和传力杆206的上端分别在弯矩梁207的横向中点2001两侧，且与横向中点2001距离相等的位置处与弯矩梁207连接。

也就是说，传力杆205和传力杆206分别与弯矩梁207的左半部分和右半部分连接，并在相对于支撑点相同的力臂处为弯矩梁施加大小相等的力载荷。

在施力杆205上下移动时向弯矩梁207加载大小相等的两个垂直力以在弯矩梁上产生具有预设应变的等应变区，等应变区即为传力杆205在弯矩梁上的施力点C和传力杆205在弯矩梁上的施力点D之间的区域。将应变计粘贴在该等应变区内以感测应变大小，进而进行对应变计的标定。

更优地，所述装置还包括，应变参数测量单元，用于测量由于力载荷的作用，等应变区产生的应变相关的应变参数；和加载控制单元，用于基于应变参数测量单元实测的应变参数实现对伺服电机的闭环控制。

在一优选实施例中，应变参数测量单元为测力传感器209，施力杆202通过测力传感器209与横梁204连接，以通过测力传感器209测量施力杆202施加到横梁204上的力载荷，此时应变参数为测力传感器209测得的力载荷。

例如，在给定弯矩梁产生的应变应为某个特定应变时，通过式(2)计算出来的通过伺服电机加载到弯矩梁上的力载荷应为100N，那么实际施力杆202上的力载荷应为200牛。通过测力传感器209实时监测施力杆202施加给横梁204的力载荷，并将该监测数据反馈给加载控制单元，加载控制单元根据监测数据控制伺服电机，即可根据实时力载荷加载数据调整伺服电机的输出。

当力载荷大于200N时，伺服电机反转，进而减小加载的力载荷，当力载荷小于200N时，伺服电机正转，进而增加加载的力载荷，当力载荷正好等于预定设想的力载荷时，电机停止转动。

在另一实施例中，应变参数测量单元为位移传感器210，其通过拉杆与弯矩梁207的横向中点2001连接，以测量弯矩梁207的横向中点2001的位移，此时应变参数为位移传感器210测得的弯矩梁207的横向中点2001产生的位移。

例如，在给定弯矩梁产生的应变应为某个特定应变时，通过式(3)计算出来的弯矩梁应当产生的挠度为2毫米，位移传感器210实时监测弯矩梁产生的挠度数值，并将该监测数据反馈给加载控制单元，加载控制单元根据监测数据控制伺服电机，即可根据实时挠度数据调整伺服电机的输出。

当挠度大于2毫米时，伺服电机反转，进而减小加载的力载荷，当挠度小于2毫米时，伺服电机正转，进而增加加载的力载荷，当挠度正好等于预定设想的挠度时，电机停止转动。

在一实施例中，位移传感器210为数显千分尺。

为了支持在高温情况下实施对应变计的标定。在一实施例中，所述装置还包括加热炉211，弯矩梁207位于加热炉211内，加热炉211帮助应变计实现在其标定时应处于的温度条件。

同样，温度的控制也可以引入反馈机制。更优地，所述装置还包括：温度测量单元212，用于测量所述弯矩梁的温度；以及温度控制单元，用于基于测得的温度实现对加热炉温度的闭环控制。

在一实施例中，温度测量单元212为热电偶，其置于加热炉211内，测量加热炉211中的实时温度，由于应变计粘贴在弯矩梁207上，而弯矩梁也置于加热炉211内，热电偶211测量的温度即为弯矩梁207和应变计的温度。

温度测量单元212将其测量到的温度数据实时反馈给温度控制单元，温度控制单元在进一步根据实时温度数据调节加热炉的温度。

当需要进行应变计的高温标定时，伸入加热炉的传力杆应当是耐高温的，在一实施例中，传力杆205包括串联的第一拉杆2051和第二拉杆2052，传力杆206包括串联的第一拉杆2061和第二拉杆2062，传力杆205的第二拉杆2052和传力杆206的第二拉杆2062伸入加热炉211内，以在加热条件下对弯矩梁207进行力载荷加载，其中，第二拉杆2052和第二拉杆2062由耐高温材料制成。

为了避免施加在横梁204上的力在横梁204上产生力矩，在一实施例中，施力杆202的上端连接至横梁204的中间位置，传力杆205和传力杆206的下端分别所述横梁204的两端连接。

为了将伺服电机201的转动输出转化为施力杆的平动输出，利用滚珠丝杠的原理实现。

在一实施例中，施力杆202为滚珠丝杆，传动单元203包括：能绕竖直轴线转动的连接轴2031，连接轴2031具有内螺纹；转动传导组件，用于将伺服电机201的转动输出传导给连接轴2031，以使得连接轴2031绕竖直轴线转动，其中，滚珠丝杆202的外螺纹与连接轴2031的内螺纹配合，当连接轴2031绕竖直轴线转动时，滚珠丝杆202沿竖直轴线上下运动。

将转动输出转化为平动输出的方式有很多。在一实施例中，转动传导组件为联轴器，联轴器可直接将伺服电机201输出轴的轴向转动传递给连接轴2031。

通常，联轴器的尺寸较大，为了减小转动传导组件占据的空间，更优地，转动传导组件包括：与伺服电机201的输出轴固定连接的电机带轮；由电机带轮带动而转动的从动带轮，从动带轮带动连接轴2031绕竖直轴线转动。

在一实施例中，所述装置还包括：减速机213，用于降低伺服电机201的转速，进而减小通过所述滚珠丝杆施加到所述弯矩梁的力载荷的变化梯度。减速机213的引入是为了避免加载到弯矩梁207上的力载荷瞬间产生较大的变化，从而避免了弯矩梁207的损坏。

请参看图3，图3示出了应变计标定的流程图。应变计标定的步骤主要包括：

步骤301：将应变计按照粘贴规程固定在弯矩梁上；

步骤302：将弯矩梁放在加热炉内的支撑件上；

步骤303：将测量力载荷的测力传感器或测量梁中点挠度的位移传感器连接至加载控制系统实现力信号、位移信号采集、处理及控制；

步骤304：将测量弯矩梁温度的热电偶连接至温度控制系统来实现温度信号测量及控制；

步骤305：依据测试试验要求的温度及力载荷(或位移)大小来进行程序设置，即进行加热程序设定和加载程序设定。

上述方法即实现了温度及力载荷的无级可调。

请参看图4，图4示出了本发明应变计标定的装置一个方面的框图。弯矩梁401通过测力传感器将其上加载的力载荷的数值反馈给力加载控制系统402，并通过位移传感器将由于力载荷加载产生的挠度反馈给位移控制系统403。

力加载控制系统402和位移控制系统403，根据预设的力载荷的大小或挠度的大小控制伺服电机404的输出。

根据公式(1)(2)(3)，可以得出力载荷的大小和绕度的大小是一一对应的，所以可以预设力载荷，实测绕度，并跟理论绕度值进行对比，来判断弯矩梁的可靠性。

当然也可以预设绕度，实测力载荷的数值，并跟理论力载荷值进行对比，来判断弯矩梁的可靠性。

加热系统405实现对加热炉的加热，加热炉将其内的温度实时反馈给温度控制系统406，温度控制系统406根据预设的温度和接收到的实时温度数据控制加热系统405的输出，进而达到调节加热炉内的温度的作用。

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