基于简支纯弯梁的静态标准应变加载装置及方法与流程

本发明属于计量器具领域，涉及一种基于简支纯弯梁的静态标准应变加载装置及方法。

背景技术：

在对应变传感器的静态标定过程中，需要标准应变源。由于国际上和国内没有建立应变传递基准，因此实验室都是各自独立建立标准应变源。标准应变源由两部分构成，一是产生应变的装置，一是对产生的应变进行高精度识别的测量装置和方法。现阶段产生应变的装置一般采用简支纯弯曲梁、悬臂等强度梁、或者刚性双力臂式纯弯曲梁的形式，在精度要求不高的场合多使用结构简单的悬臂等强度梁形式，而简支纯弯曲梁和刚性双力臂式纯弯曲梁的形式一般用于高精度加载场合。为对加载应变进行识别，需要测量梁的变形情况。现阶段采用的方法，是首先假定梁因纯弯曲而使得其形挠曲线为抛物线，并通过测量抛物线顶部一段弦长及对应的弦高加以确定，然后通过理论计算得到应变。但假定的抛物线仅在理想的纯弯曲情况下才出现，另外在弦长和弦高的测量要求被测的弦必须垂直于抛物线对称轴，否则将带来较大误差。

技术实现要素：

本发明的目的是：

提供一种基于简支纯弯梁的静态标准应变方法及装置，能在常温下提供高精度的标准应变源；

进一步的，能在中高温下提供较高精度的标准应变源。

本发明的技术方案：

一种基于简支纯弯梁的静态标准应变加载装置，其特征在于：它包括加载作动模块、变形测量模块、应变梁，

加载作动模块包括加载作动器和4个加载杆，用于使应变梁弯曲而进行加载，加载作动器固定在水平的基础平台上，4个加载杆作用于应变梁上，形成应变梁的4个加载点，并且一侧的两个加载点间的距离与另一侧两个加载点间的距离相同，加载作动器可以对4个加载杆分别控制，使得每个加载点沿直线运动并可在给定位置停止和固定，4个加载点运动形成的4条直线相互平行且位于同一水平面内，

变形测量模块包括测试位移计和滑动平台，用于测量应变梁变形挠曲线，测试位移计固定在滑动平台的滑台上，滑动平台固定在水平的基础平台上，滑动平台可以控制其滑台沿水平面内的直线滑动，并且该直线垂直于前述加载点运动所沿的直线，

应变梁用于向外部提供本加载装置给出的标准应变源，安装在前述4个加载杆上，在自由状态时其轴向为直线，且与前述4个加载杆运动所沿直线垂直且共面。

还包括加温模块，加温模块用于对应变梁加温；加温模块包括加温炉、用于位移测量的测试窗、用于表面冷却的冷却套，测试窗和冷却套安装在加温炉上，而加温炉固定在基础平台上。

一种基于简支纯弯梁的静态标准应变加载方法，它包含应变梁加载方法、应变梁变形挠度测试方法、加载应变计算方法，

应变梁加载方法用于使应变梁处于自由状态、产生凹凸变形、改变受力情况，在对应变梁进行加载前，应使每个加载杆伸出长度一致且4个加载点共线，并记录加载杆此时位置为初始位置，使应变梁处于自由状态，通过控制每个加载杆运动，使加载杆回到初始位置即可；使应变梁产生凹凸变形，必须先使应变梁处于自由状态，然后保持中间两个加载点不动，而两边的加载点同时伸出以产生凹变形，或同时缩回以产生凸变形，当仅控制最靠近端部的某一个加载点运动而其它3个不动时，可以改变应变梁中部的所受剪力状况，

应变梁变形挠度测试方法用于测试应变梁因加载而导致的变形挠度，测试结果为测试截面位置X和该截面处变形挠度Y的二元组(X，Y)构成的序列(Xi，Yi)，i＝1……N，N为测试截面数，第一步，设定测试截面数量N和位置Xi，一般N不低于5个，而位置一般为等间隔，第二步，控制加载模块使应变梁处于自由状态，控制变形测量模块使测试位移计在Xi位置测试应变梁位移Y0i，直到完成N个截面全部测试，第三步，控制加载模块对应变梁加载，控制变形测量模块使测试位移计在Xi位置测试应变梁位移Y1i，直到完成N个截面全部测试，第四步，计算Yi＝Y0i-Y1i，最终形成(Xi，Yi)，

加载应变计算方法用于根据测得的变形挠度计算应变梁上所加载的应变，第一步是使用二元组序列(Xi，Yi)进行二次曲线拟合得到二次曲线公式的二次项系数A，第二步则根据二次项系数A计算应变ε，ε＝A×h，h为应变梁厚度，在应变梁中部处于纯弯曲状态下，进行变形挠度测试再据此计算得到的应变为应变梁的加载应变，如果该加载应变值与所要求加载的应变值之差满足精度要求时该加载应变即为标准应变，此时的应变梁中部提供了标准应变源。

还包括反馈控制方法，反馈控制方法用于保证应变梁中部为纯弯曲状态和调整加载应变为标准应变，保证应变梁中部为纯弯曲状态的反馈控制方法为：第一步是进行应变梁变形挠度测试，第二步是根据测得的变形挠度(Xi，Yi)按二次曲线拟合并计算拟合残差σ2，再按三次曲线拟合并计算拟合残差σ3，第三步是比较σ2和σ3，如果σ2大于σ3，说明应变梁中部存在剪力，则调整应变梁加载，返回第一步重新进行，如果σ2小于σ3则表明应变梁中部已处于纯弯曲状态，

调整加载应变为标准应变的方法，第一步先调整应变梁加载，第二步为控制应变梁中部为纯弯曲状态，第三步为计算应变梁的加载应变，第四步是将加载应变值与标准应变值比较，如果误差超过加载精度要求，则返回第一步重新调整。

还包括优化方法，优化方法用于提高加载应变的精度，它包含两个要点，第一个要点是仅选择应变梁中部其中的厚度、宽度、材质、温度最均匀的一段来提供应变源，应变梁变形挠度的测试和加载应变的计算在其上进行，这样带来的误差最小；第二个要点是变形挠度曲线测试中设定更多的测试截面数量，可以提高曲线拟合的精度，从而提高加载应变的精度。

本发明的优点是：使用本发明的静态标准应变加载装置及方法，可以方便的进行常温到高温环境下标准应变源的生成，最高温度仅受限于应变梁的材料性能，可以检查应变梁是否处于纯弯曲状态，在同等应变梁加工精度和传感器测试精度下可以提高加载应变精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图俯视图。

图2应变梁位移测试示意图

1—加载作动器，2—加载杆，3—加温炉，4—应变梁，5—测试位移计，6—测试窗，7—滑动平台，8—冷却套，9—基础平台

具体实施方式

一种基于简支纯弯梁的静态标准应变加载装置，其特征在于：它包括加载作动模块、变形测量模块、应变梁4，

加载作动模块包括加载作动器1和四个加载杆2，用于使应变梁4弯曲而进行加载。加载作动器1固定在水平的基础平台上9。四个加载杆2作用于应变梁4上，形成应变梁4的四个加载点，并且一侧的两个加载点间的距离与另一侧两个加载点间的距离相同。加载作动器1可以对四个加载杆2分别控制，使得每个加载点沿直线运动并可在给定位置停止和固定，4个加载点运动形成的4条直线相互平行且位于同一水平面内。

变形测量模块包括测试位移计5和滑动平台7，用于测量应变梁4的变形挠曲线。测试位移计5固定在滑动平台7的滑台上，滑动平台7固定在水平的基础平台9上。滑动平台7可以控制其滑台沿水平面内的直线滑动，并且该直线垂直于前述加载点运动所沿的直线。

应变梁4用于向外部提供本加载装置给出的标准应变源，安装在前述四个加载杆2上，在自由状态时其轴向为直线，且与前述四个加载杆2运动所沿直线垂直且共面。

还包括加温模块，加温模块用于对应变梁4加温；加温模块包括加温炉3、用于位移测量的测试窗6、用于表面冷却的冷却套8。

一种基于简支纯弯梁的静态标准应变加载方法，它包含应变梁加载方法、应变梁变形挠度测试方法、加载应变计算方法、反馈控制方法、优化方法。

应变梁加载方法用于使应变梁4处于自由状态、产生凹凸变形、改变受力情况。在对应变梁进行加载前，应使每个加载杆伸出长度一致且4个加载点共线，并记录加载杆此时位置为初始位置。使应变梁处于自由状态，通过控制每个加载杆运动，使加载杆回到初始位置即可。使应变梁4产生凹凸变形，必须先使应变梁4处于自由状态，然后保持中间两个加载点不动，而两边的加载点同时伸出以产生凹变形，或同时缩回以产生凸变形。当仅控制最靠近端部的某一个加载点运动而其它3个不动时，可以改变应变梁4中部的所受剪力状况。

应变梁变形挠度测试方法用于测试应变梁4因加载而导致的变形挠度，测试结果为测试截面位置X和该截面处变形挠度Y的二元组(X，Y)构成的序列(Xi，Yi){i＝1……N，N为测试截面数}。第一步，设定测试截面数量N和位置Xi，一般N不低于5个，而位置一般为等间隔。第二步，控制加载模块使应变梁4处于自由状态，控制变形测量模块使测试位移计5在Xi位置测试应变梁位移Y0i，直到完成N个截面全部测试。第三步，控制加载模块对应变梁4加载，控制变形测量模块使测试位移计5在Xi位置测试应变梁位移Y1i，直到完成N个截面全部测试，第四步，计算Yi＝Y0i-Y1i，最终形成序列(Xi，Yi)。

加载应变计算方法用于根据测得的变形挠度计算应变梁4上所加载的应变。第一步是使用二元组序列(Xi，Yi)进行二次曲线拟合得到二次曲线公式的二次项系数A，第二步则根据二次项系数A计算应变ε(ε＝A·h，h为应变梁4的厚度)。在应变梁4中部处于纯弯曲状态下，进行变形挠度测试再据此计算得到的应变为应变梁的加载应变，如果该加载应变值与所要求加载的应变值之差满足精度要求时该加载应变即为标准应变，此时的应变梁中部提供了标准应变源。

反馈控制方法用于保证应变梁4中部为纯弯曲状态和调整加载应变为标准应变。保证应变梁4中部为纯弯曲状态的反馈控制方法为：第一步是进行应变梁4变形挠度测试，第二步是根据测得的变形挠度(Xi，Yi)按二次曲线拟合并计算拟合残差σ2，再按三次曲线拟合并计算拟合残差σ3，第三步是比较σ2和σ3，如果σ2大于σ3，说明应变梁中4部存在剪力，则调整应变梁4的加载，返回第一步重新进行，如果σ2小于σ3则表明应变梁4中部已处于纯弯曲状态。

调整加载应变为标准应变的方法，第一步先调整应变梁4的加载，第二步为控制应变梁4中部为纯弯曲状态，第三步为计算应变梁的加载应变，第四步是将加载应变值与标准应变值比较，如果误差超过加载精度要求，则返回第一步重新调整。

优化方法用于提高加载应变的精度，它包含两个要点。第一个要点是仅选择应变梁4中部其中的厚度、宽度、材质、温度最均匀的一段来提供应变源，应变梁变形挠度的测试和加载应变的计算在其上进行，这样带来的误差最小。第二个要点是变形挠度曲线测试中设定更多的测试截面数量，可以提高曲线拟合的精度，从而提高加载应变的精度。

使用本发明的装置和方法，提供要求温度下的标准应变源的步骤如下：

第一步：按照优化方法选定用于提供应变源的那一段应变梁，并设定测试截面数量和位置；

第二步：在常温下采用应变梁加载方法使应变梁处于自由状态；

第三步：控制加温模块加温，使应变梁上达到要求的温度；

第四步：采用反馈控制方法中的调整加载应变为标准应变的方法，使加载应变为标准应变。此时在第一步选定的那一段应变梁上，即提供了所要求温度下的标准应变源。