封装式应力传感器实船校准装置及校准方法与流程

本发明涉及一种校准装置及校准方法，尤其是一种封装式应力传感器实船校准装置及校准方法。

背景技术：

1、对船舶与海洋工程结构，在自身内力和风、浪、流引起的周期性疲劳载荷作用下，关键结构部位容易产生裂纹或裂纹扩展，威胁整体结构安全。为保证船舶安全，提高船舶与海洋工程结构预测风险的能力，结构安全监测技术正在快速发展。

2、在结构安全监测中，应变作为关系船舶总纵强度和局部强度非常重要的物理量，是不得不监测的关键参数。然而在长期的结构安全监测过程中，受到海洋环境条件中的温度、湿度和盐度的长期作用，应变敏感元件容易老化，性能发生蠕变甚至失效，以致应变传感器的长期可靠性无法得到保证，基于此，对结合结构敏感基体和应变敏感元件所研制的各类封装式应力传感器，因其便于安装、可重复拆装和利于维修等因素，在船舶与海洋工程结构安全监测领域得到了广泛的应用。

3、对应变敏感元件做出封装处理后，封装式应力传感器输出的应变值并不是测点处的实际应变值，因此，需要对封装式应力传感器进行校准，校准的目的是获取封装式应力传感器的灵敏度系数，以便可以投入实船应用。

4、一般地，封装式应力传感器的初次校准是在试验室进行的，借助大型拉压力试验机和大型结构件，将封装式应力传感器安装在结构件上实现灵敏度系数的测定。然而，在封装式应力传感器长期使用过程中，封装式应力传感器的性能可能会因疲劳、老化等因素而发生变化，需定期对所述封装式应力传感器进行校准。

5、对封装式应力传感器进行定期校准时，可将封装式应力传感器送回试验室校准，但这可能需要额外的时间和费用，因此，为满足实际的结构安全监测需求，需要对封装式应力传感器进行实船校准，实船校准可以降低运输和校准成本，特别是在需要频繁校准的情况下，或大量传感器需要校准的情况下更为经济实惠，除此之外，封装式应力传感器的实船校准，可以在封装式应力传感器实际工作环境中进行，可以更准确地反映实际工作条件下的测量结果，提供更实时准确的校准数据。

6、封装式应力传感器通常被安装在船体结构的关键部位，如甲板、船体等区域位置，在这些狭小且难以到达的区域对封装式应力传感器进行校准时，需要借助特殊的校准装置，但仍难以满足对封装式应力传感器的实船校准需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种封装式应力传感器实船校准装置及校准方法，其能有效实现对封装式应力传感器进行实船校准，提高对封装式应力传感器校准的便捷性与可靠性。

2、按照本发明提供的技术方案，所述封装式应力传感器实船校准装置，用于对封装式应力传感器进行实船校准，所述校准装置包括：

3、校准加载单元，包括传感器安装梁以及用于施加校准轴力的施力单元，其中，在传感器安装梁上安装一个待校准封装式应力传感器以及若干标准传感器，通过施力单元对传感器安装梁施加校准用的轴力；

4、数据采集处理单元，与传感器安装梁上的待校准封装式应力传感器以及相应的标准传感器电连接，其中，

5、对待校准封装式应力传感器校准时，通过施力单元在传感器安装梁上施加预设的轴力，并在施加预设的轴力后，利用数据采集处理单元采集待校准封装式应力传感器以及标准传感器在当前轴力下相应的应变感应值，以基于所采集的应变感应值生成当前轴力下的应变感应信息；

6、基于所有轴力下的应变感应信息生成校准信息，数据采集处理单元基于校准信息确定所述待校准封装式应力传感器的灵敏度系数。

7、基于所有轴力下的应变感应信息生成校准信息时，包括：

8、对任一与数据采集处理单元连接的标准传感器，基于所述标准传感器在所有预设轴力下的应变感应值生成当前标准传感器的标准应变感应信息；

9、对待校准封装式应力传感器，基于所述待校准封装式应力传感器在所有预设轴力下的应变感应值生成所述待校准封装式应力传感器的待校准应变感应信息；

10、基于待校准应变感应信息以及所有的标准应变感应信息生成校准信息；

11、基于校准信息确定待校准封装式应力传感器的灵敏度系数时，计算待校准封装式应力传感器与每个与数据采集处理单元连接标准传感器之间的线性转换系数；

12、基于所有的线性转换系数计算生成所述待校准封装式应力传感器的灵敏度系数。

13、计算线性转换系数时，则有：

14、

15、其中，n为与数据采集处理单元连接标准传感器的数量，β为待校准封装式应力传感器的灵敏度系数，ki为第i个转换系数，sensor为待校准应变感应信息，si为第i个与数据采集处理单元连接标准传感器的标准应变感应信息，bi为第i个偏移量系数，为转换系数的均值。

16、对待校准封装式应力传感器校准时，数据采集处理单元还生成非线性误差，所述非线性误差为：

17、

18、其中，lfi为待校准封装式应力传感器与第i个标准传感器间的非线性误差，m为基于待校准封装式应力传感器的应变感应值生成的拟合直线与第i个标准传感器的应变感应值最大偏差的绝对值，n为第i个标准传感器的应变感应值绝对值的最大值。

19、所述校准加载单元还包括加载基座、设置于所述加载基座上的安装梁座以及用于传递施力单元所加载轴力的轴力传递梁，其中，

20、安装梁座垂直分布于加载基座上；

21、传感器安装梁的第一端与安装梁座固定连接，传感器安装梁的第二端通过安装梁连接轴与轴力传递梁的第一端适配连接，以配置所述传感器安装梁在加载基座上方呈倾斜分布，且在所述传感器安装梁的长度方向上，相同截面段的不同截面位置均具有相等的正应力值；

22、轴力传递梁的第二端伸入安装梁座内并与所述安装梁座固定连接，且轴力传递梁与加载基座平行。

23、通过安装梁安装轴将传感器安装梁的第一端固定在安装梁座内；

24、在安装梁座内设置传递梁连接轴，并通过传递梁连接轴与轴力传递梁伸入安装梁座的第二端适配连接；

25、施力单元装配于加载基座上，并能在加载基座上沿轴力传递梁的长度方向运动。

26、所述施力单元包括力传感器以及与所述力传感器适配连接的力传感器连接架，其中，

27、施力单元与传感器安装梁分别位于轴力传递梁的两侧；

28、施力单元的力传感器与轴力传递梁接触，且施力单元通过力传感器以及轴力传递梁向传感器安装梁施加轴向压力或轴向拉力。

29、对待校准封装式应力传感器校准时，先配置施力单元在加载基座上的位置，其中，对配置施力单元的位置，则有：

30、

31、其中，s为传感器安装梁的截面积，εmax为待校准封装式应力传感器的量程最大值，e为传感器安装梁的弹性模量，l为力传感器与轴力传递梁的接触点处到传递梁连接轴的距离，a为传递梁连接轴与安装梁连接轴间的距离，b为传感器安装梁的长度，c为安装梁安装轴到传递梁连接轴的距离。

32、在加载基座上设置滑动槽，所述滑动槽允许力传感连接架内的施力基座嵌置并沿所述滑动槽的长度方向滑动；

33、力传感连接架包括丝杠以及套设于所述丝杠上的丝杠移动座，其中，丝杠的第一端与施力基座连接，并能相对施力基座转动，力传感器固定装配于丝杠移动座上；

34、丝杠的第二端设置手柄，通过手柄驱动丝杠在施力基座上转动，以通过丝杠移动座驱动力传感器在轴力传递梁上施加轴力。

35、一种封装式应力传感器实船校准方法，对任一封装应力传感器，采用上述的校准装置进行实船校准。

36、本发明的优点：利用校准加载单元以及数据采集处理单元配合形成实船校准装置，校准加载单元除满足校准能力外，可具有便携式的特征，从而解决了封装式应力传感器校准只能返回试验室进行校准操作的难题，使得技术人员可以在实船现场的传感器所在狭小区域环境下实现封装式应力传感器的实船校准，综合考虑了传感器的实际工作条件，提供更准确的校准数据。

37、施力单元可在施加基底上移动，通过施力装置整体的移动，使得施力装置可以在轴力传递梁不同位置施加一定大小范围的集中力，进而控制传感器安装梁所受轴力的最大值，以匹配不同待校准封装式应力传感器的量程；在校准过程中，施力单元可提供轴向压力或轴向拉力，以能满足不同情况下的校准需求。

38、传感器安装梁在长度方向相同截面段的不同截面位置均具有相等的正应力值，使得传感器安装梁上下表面不同位置均可安装标准传感器和待校准封装式应力传感器，通过安装多个标准传感器，以减小由设备加工和人为因素导致的系统误差，提高对待校准封装式应力传感器校准精度；此外，还可实现一次对多个待校准封装式应力传感器，以提高封装式应力传感器的实船校准效率。