应变仪自动校准装置及校准方法

摘要

本发明公开了一种应变仪自动校准装置及校准方法，自动校准装置利用光栅位移传感器作为标准、步进电机驱动、用控制器进行控制、读数及数据处理，完全采用闭环系统，实现了对应变仪全自动的校准和检测，其中，光栅位移传感器的输出精度为3μm，保证了检测的精确度，水平底座具有两条相互平行的V型导轨，保证活动架在负载的情况下运行时不发生偏摆和俯仰，可提高负载的能力和适用的范围，高精度滚珠丝杠可保证运动过程中能精确地传递足够大的扭力；本发明的方法可实现多位置连续测量，提高了测量的工作效率，标定方程采用一元三次方程表达，大大简化了校准过程，回零步骤消除控制器长期工作导致的积累误差，可进一步提高该方法检测的精准度。

说明书

技术领域

本发明属于计算机测控领域，具体涉及一种应变仪自动校准装置 及校准方法。

背景技术

应变仪是一种广泛应用于工程质量检测的计量器具，它种类繁多, 主要用于大坝、桥梁、管线、支撑、钢桩等各种结构的应变测量。使 用时，可直接将它们埋入混凝土中,从而测量基础桩、桥梁、大坝、 密封壳、隧道衬砌等的长期应变。所以说，应变仪的性能和精确度对 建筑工程安全有着极为重要的意义。

尤其是近年来，全国范围内不时出现桥梁开裂、建筑物倒塌等工 程质量事故，给国家财产造成了重大损失，同时也给人民群众的正常 生活带来了极大的安全隐患。为构建和谐社会，同时为加快经济建设 保驾护航，有必要尽快开发、研制一种能够精确测量应变仪的精确度 的检测设备，以响应国家对加强工程安全计量器具的监管的号召和满 足市场需求。

目前，国内各个行业对应变仪的精确度标准要求参差不齐，还没 有一个统一的检定规程，使技术监督部门对该仪器的监管十分不利。 另外，对其中最重要的计量指标应变量的线性误差和重复性没有现成 的检定设备，大多数都采用百分表或数显游标卡尺进行检测。这种方 法检测精确度低、定位困难，很难保证测量的准确性。所以，使用单 位迫切希望有一套权威检测装置以及检测方法能够对应变仪的精准 度进行检定。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一套可提高检测 精确度、简化校准过程的全自动校准装置以及校准方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

应变仪自动校准装置，其特征在于，包括：用于固定应变仪一端 的固定架，用于装夹前述应变仪另一端的活动架，用于放置前述固定 架与活动架的水平底座，用于测量前述活动架移动位置的光栅位移传 感器，用于带动前述活动架水平移动的机械传动组件，用于控制前述 机械传动组件移动的步进电机，用于控制前述步进电机工作的控制 器；前述光栅位移传感器与活动架固定连接并且平行安装，前述光栅 位移传感器与控制器电信号连接；前述固定架与水平底座固定连接； 前述活动架与水平底座滑动连接。

前述的应变仪自动校准装置，其特征在于，前述光栅位移传感器 的输出脉冲间隔为0.5μm，输出精度为3μm。

前述的应变仪自动校准装置，其特征在于，前述机械传动组件为 高精度滚珠丝杠。

前述的应变仪自动校准装置，其特征在于，前述固定架、活动架 具有用于夹持应变仪的夹具，前述夹具具有防滑纹路，并且设置有锌 保护层。

前述的应变仪自动校准装置，其特征在于，前述控制器包括：用 于向步进电机发送控制脉冲和对前述脉冲计数的数据采集卡，前述数 据采集卡为内置28位计数器的两轴步进/伺服运动控制卡。

前述的应变仪自动校准装置，其特征在于，前述水平底座包括： 两条相互平行的具有V型凹槽的V型导轨，前述活动架在V型导轨上 滑动。

前述的应变仪自动校准装置校准应变仪的方法，其特征在于，包 括以下步骤：

（一）、用户向控制器中输入设定参数，前述设定参数包括：拟测量 的应变仪的应变量范围、测量间隔；

（二）、控制器读取前述设定参数并根据步进电机的步长计算出控制 步进电机转动的控制脉冲的脉冲数；

（三）、控制器输出前述控制脉冲，使步进电机转过相应的角度，前 述步进电机通过控制机械传动组件的移动进而带动活动架和光栅位 移传感器移动；

（四）、光栅位移传感器将检测到的移动距离以脉冲的形式发送到控 制器，控制器将该移动距离与已知的目标测量值进行比较，达到前述 目标测量值时，控制器向步进电机发送停止命令，前述步进电机停止 转动后由用户向控制器中输入此时应变仪的读数；前述目标测量值根 据应变量范围和测量间隔计算得出；

（五）、重复步骤（三）和（四），继续下一个目标测量值的比较；

（六）、所有目标测量值都比较完毕后，控制器根据光栅位移传感器 的读数以及对应的应变仪的读数，计算得出标定方程；

（七）、输出检测结果，前述检测结果包括：校准点位置、应变仪读 数、光栅位移传感器实测位移、标定方程、误差，前述误差为应变仪 读数与光栅位移传感器实测位移之间的绝对误差。

前述的校准应变仪的方法，其特征在于，前述标定方程是控制 器根据获得的光栅位移传感器实测位移P与应变仪读数F，利用最小 二乘法拟合所得到的一个一元三次方程，具体如下：

P＝a+b×F+c×F²+d×F³

前述a、b、c、d为拟合系数。

前述的校准应变仪的方法，其特征在于，还包括回零步骤，前述 光栅位移传感器设置有零位，控制器启动步进电机，由前述步进电机 带动光栅位移传感器回到零位光栅处。

前述的校准应变仪的方法，其特征在于，回零步骤具体如下：

（一）、控制器根据零位光栅的位置判断回零方向；

（二）、控制器启动步进电机，由前述步进电机带动机械传动组件移 动，进而带动光栅位移传感器移动；

（三）、光栅位移传感器实时向控制器发送脉冲信号，当回到零位光 栅处时，控制器向步进电机发出停止命令，回零步骤结束。

本发明的有益之处在于：本发明的装置利用光栅位移传感器作为 标准，步进电机驱动，用控制器进行控制、读数及数据处理，完全采 用闭环系统，实现了对应变仪全自动的校准和检测；光栅位移传感器 的输出精度为3μm，保证了检测的精确度；水平底座具有两条相互平 行的V型导轨，保证活动架在负载的情况下运行时不发生偏摆和俯 仰，大大提高了负载的能力和适用的范围；采用高精度滚珠丝杠，保 证运动过程中能精确地传递足够大的扭力；本发明的方法，可实现多 位置连续测量，提高了测量的工作效率；标定方程利用最小二乘法获 得，采用一元三次方程表达，大大提高了检测精确度、简化了校准过 程。

附图说明

图1是本发明的应变仪自动校准装置的结构示意图；

图2是本发明的应变仪自动校准装置中V型导轨的剖面示意图；

图3是本发明的校准应变仪的方法的流程图；

图4是本发明的校准应变仪的方法中回零步骤的流程图；

图中附图标记的含义：1-固定架，2-活动架，3-光栅位移传感器， 4-机械传动组件，5-步进电机，6-控制器，7-应变仪，8-V型导轨， 9-V型凹槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1，本发明的应变仪自动校准装置，包括：固定架，活动 架，水平底座，光栅位移传感器，机械传动组件，步进电机，控制器。 他们彼此之间的关系如下：

固定架和活动架分别从两端装夹、固定应变仪；水平底座用于放 置固定架和活动架，水平底座保证了固定架与活动架在竖直方向上位 置的相对稳定，其中，固定架与水平底座固定连接，活动架与水平底 座滑动连接。

固定架、活动架具有用于夹持应变仪的夹具，作为一种优选的方 案，夹具具有防滑纹路，并且设置有锌保护层。防滑纹路可增加夹具 与应变仪之间的摩擦力，使应变仪随活动架运动的过程中本身相对于 夹具不发生移动，确保检测的精准度；锌保护层可增加夹具的硬度， 进而可承受更大重量的负载。

光栅位移传感器用于测量活动架移动的位置，与活动架固定连接 并且平行安装，此处的固定连接并且平行安装是指：光栅位移传感器 与活动架通过连接板（未图示）、螺钉（未图示）等零件固定在一起， 具体的固定位置是光栅位移传感器固定在活动架的侧面，而非顶面， 并且二者相互平行。此种相对位置关系，大大减小了活动架因负载过 大带来的偏移误差，从而提高了整套装置的检测精度。

作为一种优选的方案，光栅位移传感器的输出脉冲间隔为0.5μm， 输出精度为3μm。大大提高了本发明的应变仪自动校准装置的检测的 精确度。

机械传动组件用于带动活动架做水平方向移动，具体设置在水平 底座内部或者上方、活动架的下方或者侧面。

作为一种优选的方案，机械传动组件为高精度滚珠丝杠，可保证 运动过程中能精确地传递足够大的扭力。更为具体的，高精度滚珠丝 杠可选择直径大于25mm的高精度滚珠丝杠。

作为一种优选的方案，水平底座包括有两条相互平行的V型凹槽 的V型导轨，参照图2，活动架在机械传动组件的带动下沿V型导 轨滑动。V型导轨的特殊结构，保证了活动架在负载的情况下运行时 不发生偏摆和俯仰，大大提高了活动架负载的能力和本发明的装置的 适用的范围。

步进电机用于控制机械传动组件移动，并受控制器的控制。控制 器根据用户输入的设定参数以及步进电机的步长可以算出控制步进 电机转动的控制脉冲的脉冲数，进而控制步进电机的工作。控制器与 光栅位移传感器电信号连接，接收光栅位移传感器传来的输出脉冲， 根据输出脉冲的信息在适当的时候向步进电机发送停止命令，进而控 制光栅位移传感器的移动。

作为一种优选的方案，控制器包括：用于向步进电机发送控制脉 冲和对上述脉冲计数的数据采集卡（未图示），数据采集卡为内置28 位计数器的两轴步进/伺服运动控制卡。两轴步进/伺服运动控制卡能 精确的控制所发出的脉冲频率、脉冲个数以及脉冲频率变化率，由于 脉冲频率与电机转动速度相对应、脉冲个数与电机转角相对应、脉冲 频率变化率与电机加速度相对应，所以，它能满足步进电机的各种复 杂的控制要求，进而提升本发明的装置的检测精准度。

下面描述利用上述的应变仪自动校准装置校准应变仪的方法，参 照图3，其主要包括以下几个步骤：

（一）、用户向控制器中输入设定参数，设定参数包括：拟测量的应 变仪的应变量范围、测量间隔。例如，输入的应变量范围为1mm，测 量间隔为0.2mm，那么此组测量中将有5个目标测量值，分别为： 0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm；

（二）、控制器读取输入的应变量范围和测量间隔，并根据步进电机 的步长计算出控制步进电机转动的控制脉冲的脉冲数；

（三）、控制器输出上述控制脉冲，使步进电机转过相应的角度，步 进电机控制机械传动组件沿水平方向移动相应的距离，由于机械传动 组件带动活动架移动，而活动架又与光栅位移传感器固定连接，所以 最终带动了光栅位移传感器移动相应的距离；

（四）、光栅位移传感器将检测到的移动距离以脉冲的形式发送到控 制器，控制器再将接收到的脉冲信息翻译为光栅传感器的移动距离， 然后将该移动距离与已知的目标测量值进行比较，例如：首次是与 0.2mm进行比较，当光栅位移传感器的移动距离达到上述目标测量值 时，控制器向步进电机发送停止命令，步进电机停止转动后由用户向 控制器中输入此时应变仪的读数；

（五）、重复步骤（三）和（四），继续下一个目标测量值的比较，该 下一个目标测量值依次分别为：0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm；

（六）、所有目标测量值都比较完毕后，例如本实施例中的5个目标 测量值0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm都比较完毕后，控制器 根据光栅位移传感器的读数以及对应的应变仪的读数，计算得出标定 方程；

（七）、输出检测结果，上述检测结果包括：校准点位置、应变仪读 数、光栅位移传感器实测位移、标定方程、误差，均输出到Excel表 格中，方便观察及打印。其中，误差为应变仪读数与光栅位移传感器 实测位移之间的绝对误差。

作为一种优选的方案，步骤（六）中的标定方程，是控制器根 据获得的光栅位移传感器实测位移P与应变仪读数F，利用最小二乘 法拟合所得到的一个一元三次方程，具体如下：

P＝a+b×F+c×F²+d×F³

其中，a、b、c、d为拟合系数。

当上述5个目标测量值全部测量完毕，将光栅位移传感器实测位 移P与应变仪读数F代入公式中求出拟合系数a、b、c、d。在测量 范围内，赋予应变仪读数F一个具体的数值，然后将该具体的数值代 入公式中求出相应的光栅位移传感器实测位移P，然后将P与F做差， 即得到应变仪的误差，如果误差在允许的范围内，说明该应变仪的精 准度符合要求，是合格产品，可以准予出厂；如果误差超出了允许的 范围，说明该应变仪精准度不够，属于不合格产品，不能准予出厂。

本发明的方法中使用的标定方程，利用最小二乘法获得，采用一 元三次方程表达，大大提高了检测精确度、简化了校准过程。

作为一种优选的方案，本发明的校准应变仪的方法，还包括回零 步骤。光栅位移传感器设置有零位，当用户选择回零模式后控制器启 动步进电机，步进电机带动光栅位移传感器回到零位光栅处。参照图 4，具体步骤如下：

（一）、控制器根据零位光栅的位置判断回零方向；

（二）、控制器启动步进电机，由步进电机带动机械传动组件移动， 进而带动光栅位移传感器移动；

（三）、光栅位移传感器实时向控制器发送脉冲信号，当回到零位光 栅处时，控制器向步进电机发出停止命令，回零步骤结束。

回零过程用来消除控制器长期工作导致的积累误差，可进一步提 高该方法检测的精准度。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等 同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范 围内。