CN112393690A - 一种可控的便携式应变计校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种便携式应变计校准装置，属于应变试验测试领域。本发明利用基于EAP驱动器可随电压驱动并产生较大变形的特点，设计了一种可控的应变计校准装置，提升了校准装置的便携性，增加了校准范围，提高了校准装置动态性能的同时，提高了应变计的校准效率，避免了不必要的误差。该可控的便携式应变计校准装置包括：电压控制器、高压电源、EAP驱动器、固定结构、位移测量装置等。将介电型EAP驱动器和高压电源连接起来，通过电压控制器控制介电型EAP驱动器受到的电压值，从而控制介电型EAP驱动器的轴向变形。应变计采用粘贴等方式与介电型EAP驱动器相连接，采用位移测量装置测量应变计产生的变形。通过测量试验数据，进行应变计的校准。
Description
技术领域
本发明一种便携式应变计校准装置，属于应变试验测试领域。
背景技术
应变计是一种广泛应用的计量器具，在结构测试、建筑安全、飞机发动机、航母等各个领域都有着重要的应用，并且应变计形式多样，种类繁多，目前最广泛使用的有电阻应变片和光纤应变传感器。应变计的校准对于应变计更加广泛应用具有重要的意义。目前应变计校准的方法主要有两种：一种方法是采用应变梁(如四点弯曲梁或刚架梁)，在应变梁上粘贴应变计，通过对应变梁施加定量的应变值，利用高精度静态应变仪测量应变计的应变量，接着对所得数据进行数据处理(例如最小二乘法或者回归性分析)，从而得出灵敏度系数；另一种方法是采用材料试验机对应变杆进行单轴拉伸，在应变杆上安装应变计，通过对应变杆施加定量的载荷，通过引伸计或更高精度的激光干涉等方法测量长度和长度变化量，接着根据相应的数据处理规范(如回归性分析或者最小二乘法)计算出灵敏度系数。目前应变计校准时，无论采用应变梁方法还是应变杆方法，为了获取较高的精度，均需要较复杂的试验装置。如常用的应变梁方式采用机械驱动，需要地基且装置较大；应变杆方式需要用到材料疲劳试验机，两者均较难移动，不方便对外场中待使用的应变计进行直接校准。另外，以上两种方式所校准的应变范围受限于材料属性和加载条件，测量范围一般为±3000με(应变梁)或±5000με(应变杆)之间。
介电型EAP(Electroactive Polymer,电活性聚合物)具有质量轻，应变大(最大应变380％)，能量密度高(3.4J/g)，效率高，响应速度快，环境适应性好等优点，其综合性能接近于生物肌肉。介电型EAP的研究已经成为国内外智能材料研究领域的热点问题。介电型EAP具有双向工作模式：驱动模式和发电模式，实现电能与机械能之间的相互转换。
发明内容
本发明的目的是针对上述应变计校准方法中不便携、校准范围小等一系列问题，提供一种便携式应变计校准装置。利用该装置在保证便携性和增加测量范围的同时，在应变计校准的过程中无需进行人工操作，通过控制该装置，实现自动加载，提高了应变计校准的效率，避免了人工操作过程中增加的误差。该装置操作简单，且可携带至安装现场进行校准，为现场的数据准确性提供了依据；同时该装置可实现较大应变范围(超过20％，±10000με)的传感器校准。
本发明的技术方案是通过下述技术方案实现的。
一种便携式应变计校准装置，将待测应变计固定在EAP材料上，通过控制EAP材料发生拉伸或弯曲，进而得到应变计的应变值；
所示EAP材料作为应变测量的驱动器，形式可以是单独的EAP膜，或者是多层EAP膜，或者膜中间固定有弹性元件；
所述校准装置具体包括：作为EAP材料、固定基座、电压控制器、高压电源和位移测量装置。将EAP材料和高压电源连接起来，通过电压控制器控制EAP材料受到的电压值，从而控制EAP材料的轴向变形。应变计采用粘贴等方式与EAP材料相连接，采用位移测量装置测量应变计产生的变形。通过测量试验数据，进行应变计的校准。
所述EAP材料为介电型EAP材料；
所述通过电压控制器控制EAP材料受到的电压值，从而控制EAP材料的轴向变形的具体实现方式为：
P＝ε0εr(U/h)2
其中U为施加的静电电压，h为介电型EAP材料的厚度，εr为介电型EAP材料的相对介电常数(一般取4.7)，ε0为真空介电常数(8.85×10-12F/m)
通过控制电压的输入实现可控应变测量，通过位移测量装置对应变计变形进行校准。
有益效果
本发明装置主要利用EAP的轴向输出力和输出位移来进行应变杆上荷载的加载，并且电压控制器可以控制EAP驱动器的输出性能，使其产生并带动应变计产生轴向变形，通过位移测量装置测量的位移与应变计的输出进行比较，达到对被测应变计校准的目的。该校准装置体积小，重量轻，操作便捷，可在现场进行传感器校准；另外，可以针对较大应变量程的应变计进行校准，满足大量程应变传感器校准的需要；该装置可节约人力，避免人工操作产生的误差，提高应变计校准的精确度；该装置采用电压驱动，可以对动态应变进行校准，克服了传统梁式结构动态性能差的问题。
附图说明
图1是一种便携式应变计校准装置的结构示意图；
图2是介电型EAP圆柱形驱动器工作原理图。
其中，1为高压电源，2为电压控制器，3为介电型EAP驱动器，4为位移测量装置，5为待测应变计，6为固定基座。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种便携式应变计校准装置，作为驱动器的EAP材料、固定基座、电压控制器、高压电源和位移测量装置。将EAP材料和高压电源连接起来，通过电压控制器控制EAP材料受到的电压值，从而控制EAP材料的轴向变形。应变计采用粘贴等方式与EAP材料相连接，采用位移测量装置测量应变计产生的变形。通过测量试验数据，进行应变计的校准。
所述EAP材料为介电型EAP材料；
所述通过电压控制器控制EAP材料受到的电压值，从而控制EAP材料的轴向变形的具体实现方式为：
P＝ε0εr(U/h)2
其中U为施加的静电电压，h为介电型EAP材料的厚度，εr为介电型EAP材料的相对介电常数(一般取4.7)，ε0为真空介电常数(8.85×10-12F/m)
通过控制电压的输入实现可控应变测量；通过位移测量装置对应变计变形进行校准。
可控测量应变的方法如下：
1)将应变计安装在介电型EAP驱动器上；
2)按照要求安装好应变计校准的荷载加载装置以及应变计数据测量系统，调试仪器，准备好测试方案，接通电源；
3)将位移测量装置调零；
4)利用电压控制器控制高压电源的输出电压，从而控制介电型EAP圆柱形驱动器驱动，使其产生轴向变形，带动应变计产生应变，同时记录位移测量装置的位移；
5)利用应变计数据测量系统，记录应变计的校准数据。
6)将测试所得数据进行校准分析(例如回归性分析或者最小二乘法)，计算出应变计的灵敏度系数。
实施例1
本实施例中，被校对象的应变计选用光纤应变传感器，型号为OF110；其对应的数据测量系统采用光纤光栅解调仪FI220M。
位移测量装置采用便携激光干涉仪XL80。
在本项目中，介电型EAP驱动器设计参数为介电型EAP材料双向拉伸比例为300％×300％，层数为1层。采用的介电型EAP材料为丙烯酸酯VHB4910，设计的介电型EAP驱动器形状为平面正方形。
1)将应变计安装在介电型EAP驱动器上；
2)按照要求安装好应变计校准的荷载加载装置以及应变计数据测量系统，调试仪器，准备好测试方案，接通电源；
3)将位移测量装置调零；
4)利用电压控制器控制高压电源的输出电压，从而控制介电型EAP驱动器驱动，使其产生均匀变形，带动应变计产生应变，同时记录位移测量装置的位移；重复三次。
5)利用应变计数据测量系统，记录应变计的校准数据,由于被校对象采用光纤传感器，记录光纤传感器的中心波长数据。
6)将测试所得数据进行校准分析,采用最小二乘法，计算出应变计的灵敏度系数k＝1.28pm/με。
实施例2
本实施例中，被校对象的应变计选用光纤应变传感器，型号为OF110；其对应的数据测量系统采用光纤光栅解调仪FI220M。
位移测量装置采用便携激光干涉仪XL80。
本项目介电型EAP材料中设计参数为弹簧线径1mm，直径为22mm，弹簧刚材料；介电型EAP材料双向拉伸比例为400％×250％，卷绕层数为12层。采用的介电型EAP材料为丙烯酸酯VHB4910，设计的驱动器形状为圆柱形。
1)将应变计安装在介电型EAP驱动器上；
2)按照要求安装好应变计校准的荷载加载装置以及应变计数据测量系统，调试仪器，准备好测试方案，接通电源；
3)将位移测量装置调零；
4)利用电压控制器控制高压电源的输出电压，从而控制介电型EAP圆柱形驱动器驱动，使其产生轴向变形，带动应变计产生应变，同时记录位移测量装置的位移；
5)利用应变计数据测量系统，记录应变计的校准数据，如下表所示。
6)将测试所得数据进行校准分析，采用最小二乘法，计算出应变计的灵敏度系数，k＝1.23pm/με。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种便携式应变计校准装置，其特征在于：将待测应变计固定在EAP材料上，通过控制EAP材料发生拉伸或弯曲，进而得到应变计的应变值。
2.如权利要求1所述的一种便携式应变计校准装置，其特征在于：所示EAP材料作为应变测量的驱动器，形式可以是单独的EAP膜，或者是多层EAP膜，或者膜中间固定有弹性元件。
3.如权利要求1所述的一种便携式应变计校准装置，其特征在于：所述校准装置具体包括：作为EAP材料、固定基座、电压控制器、高压电源和位移测量装置。将EAP材料和高压电源连接起来，通过电压控制器控制EAP材料受到的电压值，从而控制EAP材料的轴向变形。应变计采用粘贴等方式与EAP材料相连接，采用位移测量装置测量应变计产生的变形。通过测量试验数据，进行应变计的校准。
4.如权利要求1或2或3所述的一种便携式应变计校准装置，其特征在于：所述EAP材料为介电型EAP材料。
5.如权利要求3所述的一种便携式应变计校准装置，其特征在于：所述通过电压控制器控制EAP材料受到的电压值，从而控制EAP材料的轴向变形的具体实现方式为：
P＝ε0εr(U/h)2
其中U为施加的静电电压，h为介电型EAP材料的厚度，εr为介电型EAP材料的相对介电常数，ε0为真空介电常数；
通过控制电压的输入实现可控应变测量，通过位移测量装置对应变计变形进行校准。
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- 2020-12-01 CN CN202011387494.5A patent/CN112393690A/zh active Pending
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