本發(fā)明屬于計量器具領(lǐng)域，涉及一種基于簡支純彎梁的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變加載裝置及方法。

背景技術(shù)：

在對應(yīng)變傳感器的靜態(tài)標(biāo)定過程中，需要標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源。由于國際上和國內(nèi)沒有建立應(yīng)變傳遞基準(zhǔn)，因此實驗室都是各自獨立建立標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源。標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源由兩部分構(gòu)成，一是產(chǎn)生應(yīng)變的裝置，一是對產(chǎn)生的應(yīng)變進行高精度識別的測量裝置和方法?，F(xiàn)階段產(chǎn)生應(yīng)變的裝置一般采用簡支純彎曲梁、懸臂等強度梁、或者剛性雙力臂式純彎曲梁的形式，在精度要求不高的場合多使用結(jié)構(gòu)簡單的懸臂等強度梁形式，而簡支純彎曲梁和剛性雙力臂式純彎曲梁的形式一般用于高精度加載場合。為對加載應(yīng)變進行識別，需要測量梁的變形情況?，F(xiàn)階段采用的方法，是首先假定梁因純彎曲而使得其形撓曲線為拋物線，并通過測量拋物線頂部一段弦長及對應(yīng)的弦高加以確定，然后通過理論計算得到應(yīng)變。但假定的拋物線僅在理想的純彎曲情況下才出現(xiàn)，另外在弦長和弦高的測量要求被測的弦必須垂直于拋物線對稱軸，否則將帶來較大誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：

提供一種基于簡支純彎梁的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變方法及裝置，能在常溫下提供高精度的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源；

進一步的，能在中高溫下提供較高精度的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于簡支純彎梁的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變加載裝置，其特征在于：它包括加載作動模塊、變形測量模塊、應(yīng)變梁，

加載作動模塊包括加載作動器和4個加載桿，用于使應(yīng)變梁彎曲而進行加載，加載作動器固定在水平的基礎(chǔ)平臺上，4個加載桿作用于應(yīng)變梁上，形成應(yīng)變梁的4個加載點，并且一側(cè)的兩個加載點間的距離與另一側(cè)兩個加載點間的距離相同，加載作動器可以對4個加載桿分別控制，使得每個加載點沿直線運動并可在給定位置停止和固定，4個加載點運動形成的4條直線相互平行且位于同一水平面內(nèi)，

變形測量模塊包括測試位移計和滑動平臺，用于測量應(yīng)變梁變形撓曲線，測試位移計固定在滑動平臺的滑臺上，滑動平臺固定在水平的基礎(chǔ)平臺上，滑動平臺可以控制其滑臺沿水平面內(nèi)的直線滑動，并且該直線垂直于前述加載點運動所沿的直線，

應(yīng)變梁用于向外部提供本加載裝置給出的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源，安裝在前述4個加載桿上，在自由狀態(tài)時其軸向為直線，且與前述4個加載桿運動所沿直線垂直且共面。

還包括加溫模塊，加溫模塊用于對應(yīng)變梁加溫；加溫模塊包括加溫爐、用于位移測量的測試窗、用于表面冷卻的冷卻套，測試窗和冷卻套安裝在加溫爐上，而加溫爐固定在基礎(chǔ)平臺上。

一種基于簡支純彎梁的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變加載方法，它包含應(yīng)變梁加載方法、應(yīng)變梁變形撓度測試方法、加載應(yīng)變計算方法，

應(yīng)變梁加載方法用于使應(yīng)變梁處于自由狀態(tài)、產(chǎn)生凹凸變形、改變受力情況，在對應(yīng)變梁進行加載前，應(yīng)使每個加載桿伸出長度一致且4個加載點共線，并記錄加載桿此時位置為初始位置，使應(yīng)變梁處于自由狀態(tài)，通過控制每個加載桿運動，使加載桿回到初始位置即可；使應(yīng)變梁產(chǎn)生凹凸變形，必須先使應(yīng)變梁處于自由狀態(tài)，然后保持中間兩個加載點不動，而兩邊的加載點同時伸出以產(chǎn)生凹變形，或同時縮回以產(chǎn)生凸變形，當(dāng)僅控制最靠近端部的某一個加載點運動而其它3個不動時，可以改變應(yīng)變梁中部的所受剪力狀況，

應(yīng)變梁變形撓度測試方法用于測試應(yīng)變梁因加載而導(dǎo)致的變形撓度，測試結(jié)果為測試截面位置X和該截面處變形撓度Y的二元組(X，Y)構(gòu)成的序列(Xi，Yi)，i＝1……N，N為測試截面數(shù)，第一步，設(shè)定測試截面數(shù)量N和位置Xi，一般N不低于5個，而位置一般為等間隔，第二步，控制加載模塊使應(yīng)變梁處于自由狀態(tài)，控制變形測量模塊使測試位移計在Xi位置測試應(yīng)變梁位移Y0i，直到完成N個截面全部測試，第三步，控制加載模塊對應(yīng)變梁加載，控制變形測量模塊使測試位移計在Xi位置測試應(yīng)變梁位移Y1i，直到完成N個截面全部測試，第四步，計算Yi＝Y(jié)0i-Y1i，最終形成(Xi，Yi)，

加載應(yīng)變計算方法用于根據(jù)測得的變形撓度計算應(yīng)變梁上所加載的應(yīng)變，第一步是使用二元組序列(Xi，Yi)進行二次曲線擬合得到二次曲線公式的二次項系數(shù)A，第二步則根據(jù)二次項系數(shù)A計算應(yīng)變ε，ε＝A×h，h為應(yīng)變梁厚度，在應(yīng)變梁中部處于純彎曲狀態(tài)下，進行變形撓度測試再據(jù)此計算得到的應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變梁的加載應(yīng)變，如果該加載應(yīng)變值與所要求加載的應(yīng)變值之差滿足精度要求時該加載應(yīng)變即為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變，此時的應(yīng)變梁中部提供了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源。

還包括反饋控制方法，反饋控制方法用于保證應(yīng)變梁中部為純彎曲狀態(tài)和調(diào)整加載應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)變，保證應(yīng)變梁中部為純彎曲狀態(tài)的反饋控制方法為：第一步是進行應(yīng)變梁變形撓度測試，第二步是根據(jù)測得的變形撓度(Xi，Yi)按二次曲線擬合并計算擬合殘差σ2，再按三次曲線擬合并計算擬合殘差σ3，第三步是比較σ2和σ3，如果σ2大于σ3，說明應(yīng)變梁中部存在剪力，則調(diào)整應(yīng)變梁加載，返回第一步重新進行，如果σ2小于σ3則表明應(yīng)變梁中部已處于純彎曲狀態(tài)，

調(diào)整加載應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的方法，第一步先調(diào)整應(yīng)變梁加載，第二步為控制應(yīng)變梁中部為純彎曲狀態(tài)，第三步為計算應(yīng)變梁的加載應(yīng)變，第四步是將加載應(yīng)變值與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值比較，如果誤差超過加載精度要求，則返回第一步重新調(diào)整。

還包括優(yōu)化方法，優(yōu)化方法用于提高加載應(yīng)變的精度，它包含兩個要點，第一個要點是僅選擇應(yīng)變梁中部其中的厚度、寬度、材質(zhì)、溫度最均勻的一段來提供應(yīng)變源，應(yīng)變梁變形撓度的測試和加載應(yīng)變的計算在其上進行，這樣帶來的誤差最小；第二個要點是變形撓度曲線測試中設(shè)定更多的測試截面數(shù)量，可以提高曲線擬合的精度，從而提高加載應(yīng)變的精度。

本發(fā)明的優(yōu)點是：使用本發(fā)明的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變加載裝置及方法，可以方便的進行常溫到高溫環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源的生成，最高溫度僅受限于應(yīng)變梁的材料性能，可以檢查應(yīng)變梁是否處于純彎曲狀態(tài)，在同等應(yīng)變梁加工精度和傳感器測試精度下可以提高加載應(yīng)變精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖。

圖2應(yīng)變梁位移測試示意圖

1—加載作動器，2—加載桿，3—加溫爐，4—應(yīng)變梁，5—測試位移計，6—測試窗，7—滑動平臺，8—冷卻套，9—基礎(chǔ)平臺

具體實施方式

一種基于簡支純彎梁的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變加載裝置，其特征在于：它包括加載作動模塊、變形測量模塊、應(yīng)變梁4，

加載作動模塊包括加載作動器1和四個加載桿2，用于使應(yīng)變梁4彎曲而進行加載。加載作動器1固定在水平的基礎(chǔ)平臺上9。四個加載桿2作用于應(yīng)變梁4上，形成應(yīng)變梁4的四個加載點，并且一側(cè)的兩個加載點間的距離與另一側(cè)兩個加載點間的距離相同。加載作動器1可以對四個加載桿2分別控制，使得每個加載點沿直線運動并可在給定位置停止和固定，4個加載點運動形成的4條直線相互平行且位于同一水平面內(nèi)。

變形測量模塊包括測試位移計5和滑動平臺7，用于測量應(yīng)變梁4的變形撓曲線。測試位移計5固定在滑動平臺7的滑臺上，滑動平臺7固定在水平的基礎(chǔ)平臺9上。滑動平臺7可以控制其滑臺沿水平面內(nèi)的直線滑動，并且該直線垂直于前述加載點運動所沿的直線。

應(yīng)變梁4用于向外部提供本加載裝置給出的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源，安裝在前述四個加載桿2上，在自由狀態(tài)時其軸向為直線，且與前述四個加載桿2運動所沿直線垂直且共面。

還包括加溫模塊，加溫模塊用于對應(yīng)變梁4加溫；加溫模塊包括加溫爐3、用于位移測量的測試窗6、用于表面冷卻的冷卻套8。

一種基于簡支純彎梁的靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變加載方法，它包含應(yīng)變梁加載方法、應(yīng)變梁變形撓度測試方法、加載應(yīng)變計算方法、反饋控制方法、優(yōu)化方法。

應(yīng)變梁加載方法用于使應(yīng)變梁4處于自由狀態(tài)、產(chǎn)生凹凸變形、改變受力情況。在對應(yīng)變梁進行加載前，應(yīng)使每個加載桿伸出長度一致且4個加載點共線，并記錄加載桿此時位置為初始位置。使應(yīng)變梁處于自由狀態(tài)，通過控制每個加載桿運動，使加載桿回到初始位置即可。使應(yīng)變梁4產(chǎn)生凹凸變形，必須先使應(yīng)變梁4處于自由狀態(tài)，然后保持中間兩個加載點不動，而兩邊的加載點同時伸出以產(chǎn)生凹變形，或同時縮回以產(chǎn)生凸變形。當(dāng)僅控制最靠近端部的某一個加載點運動而其它3個不動時，可以改變應(yīng)變梁4中部的所受剪力狀況。

應(yīng)變梁變形撓度測試方法用于測試應(yīng)變梁4因加載而導(dǎo)致的變形撓度，測試結(jié)果為測試截面位置X和該截面處變形撓度Y的二元組(X，Y)構(gòu)成的序列(Xi，Yi){i＝1……N，N為測試截面數(shù)}。第一步，設(shè)定測試截面數(shù)量N和位置Xi，一般N不低于5個，而位置一般為等間隔。第二步，控制加載模塊使應(yīng)變梁4處于自由狀態(tài)，控制變形測量模塊使測試位移計5在Xi位置測試應(yīng)變梁位移Y0i，直到完成N個截面全部測試。第三步，控制加載模塊對應(yīng)變梁4加載，控制變形測量模塊使測試位移計5在Xi位置測試應(yīng)變梁位移Y1i，直到完成N個截面全部測試，第四步，計算Yi＝Y(jié)0i-Y1i，最終形成序列(Xi，Yi)。

加載應(yīng)變計算方法用于根據(jù)測得的變形撓度計算應(yīng)變梁4上所加載的應(yīng)變。第一步是使用二元組序列(Xi，Yi)進行二次曲線擬合得到二次曲線公式的二次項系數(shù)A，第二步則根據(jù)二次項系數(shù)A計算應(yīng)變ε(ε＝A·h，h為應(yīng)變梁4的厚度)。在應(yīng)變梁4中部處于純彎曲狀態(tài)下，進行變形撓度測試再據(jù)此計算得到的應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變梁的加載應(yīng)變，如果該加載應(yīng)變值與所要求加載的應(yīng)變值之差滿足精度要求時該加載應(yīng)變即為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變，此時的應(yīng)變梁中部提供了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源。

反饋控制方法用于保證應(yīng)變梁4中部為純彎曲狀態(tài)和調(diào)整加載應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)變。保證應(yīng)變梁4中部為純彎曲狀態(tài)的反饋控制方法為：第一步是進行應(yīng)變梁4變形撓度測試，第二步是根據(jù)測得的變形撓度(Xi，Yi)按二次曲線擬合并計算擬合殘差σ2，再按三次曲線擬合并計算擬合殘差σ3，第三步是比較σ2和σ3，如果σ2大于σ3，說明應(yīng)變梁中4部存在剪力，則調(diào)整應(yīng)變梁4的加載，返回第一步重新進行，如果σ2小于σ3則表明應(yīng)變梁4中部已處于純彎曲狀態(tài)。

調(diào)整加載應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的方法，第一步先調(diào)整應(yīng)變梁4的加載，第二步為控制應(yīng)變梁4中部為純彎曲狀態(tài)，第三步為計算應(yīng)變梁的加載應(yīng)變，第四步是將加載應(yīng)變值與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值比較，如果誤差超過加載精度要求，則返回第一步重新調(diào)整。

優(yōu)化方法用于提高加載應(yīng)變的精度，它包含兩個要點。第一個要點是僅選擇應(yīng)變梁4中部其中的厚度、寬度、材質(zhì)、溫度最均勻的一段來提供應(yīng)變源，應(yīng)變梁變形撓度的測試和加載應(yīng)變的計算在其上進行，這樣帶來的誤差最小。第二個要點是變形撓度曲線測試中設(shè)定更多的測試截面數(shù)量，可以提高曲線擬合的精度，從而提高加載應(yīng)變的精度。

使用本發(fā)明的裝置和方法，提供要求溫度下的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源的步驟如下：

第一步：按照優(yōu)化方法選定用于提供應(yīng)變源的那一段應(yīng)變梁，并設(shè)定測試截面數(shù)量和位置；

第二步：在常溫下采用應(yīng)變梁加載方法使應(yīng)變梁處于自由狀態(tài)；

第三步：控制加溫模塊加溫，使應(yīng)變梁上達到要求的溫度；

第四步：采用反饋控制方法中的調(diào)整加載應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的方法，使加載應(yīng)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)應(yīng)變。此時在第一步選定的那一段應(yīng)變梁上，即提供了所要求溫度下的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變源。