应变传感器计量特性的校准方法

陈杰1 李锦2

2.上海振华重工（集团）股份有限公司  上海市 200125

摘要：应变传感器架构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定。为了。对应变计校准现状进行分析，设计了一种基于激光干涉法的高精度校准装置，标距范围可以达到500mm，并提出了系列计量特性的高精度计算方法。通过试验对应变计的计量特性进行测试，并评估了综合误差的校准不确定度U=0.10%(包含因子k=2)。

关键词：计量学;应变传感器;计量特性

引言

应变传感器，是将应变量转化为电信号（电压、电流或频率）变化输出的传感元件。应变计通常与应变数据采集器配套组成应变监测系统，用于长期动态监测（如梁、柱、桩基等）、钢结构（如大型厂房、场馆里的钢梁、钢柱、钢桁架等）由于工作应力、温度应力、干缩应力而引起的应变值，故广泛应用于桥梁、建筑、铁路、交通、水电、大坝工程监测领域。而应变计作为应变监测系统中的关键部件，其性能的好坏直接关系到应变监测数据的准确性和可靠性。特别是计量特性参数，对被监测结构的安全性、耐久性与健康性评价的准确性都有很大的影响，因此实现应变计计量参数准确测量和深入研究是十分有价值的。

1计量特性分析

1.1灵敏度

（1）《传感器通用术语》中计量特性有灵敏度，在其中灵敏系数是仪器读数变化量与应变计初始读数和标定量变化之比，其含义等中的灵敏度;与灵敏度相对应的计量特性在中是满量程输出，对于不同测量范围的传感器而言，反映应变计的信息较少且不能有效地区分共性的特征，而灵敏度表述的传感器种类的范围更为广泛。（2）线性度中有线性度，而非线性度和不符合度的定义完全一致，二者保留一个即可。从名词术语的使用规范上讲，同时给出线性度和非线性度，都是评价校准曲线与某一规定直线的关系，所表达的物理属性是一致的，二者选其一即可，特别是如果没有线性度这一术语，也不会产生非线性度术语。相对而言，线性度的使用频率更高。

（3）回差在与振弦式应变计和电阻式应变计相关的，滞后作为计量特性，常用于描述测量应变过程中应变计存在往返的情况，导致测量结果的不准确性。回差和滞后描述的对象属性具有一定的相似性，滞后主要用于表述机械系统的一种运动现象，对于传感器和测量仪器而言，用回差术语较合适。综上，用术语回差表述更准确。

2应变传感器计量特性研究现状

目前有几个应变传感器（应变计）技术规范已经颁布：1992年国家标准《电阻应变计》出台，标准中对不同的电阻应变片的工作特性分别作了规定，从电阻值、灵敏系数、机械滞后、温度系数等方面做出相应规定，为应变传感器的研究及发展指明了方向。1994年国家计量检定规程《JJF1046-1994金属电阻应变计的工作特性技术规范》出台，进一步为金属应变计的发展确立了方向。最新的金属电阻应变计规范颁布时间距今已有24年，规程中提出的校准方法尚有很大改进空间。2010年电阻应变计国家标准《GB/T13992-2010金属粘贴式电阻应变计》实施，进一步对电阻应变计在各个计量特性的研究和发展提供依据。

与振弦式应变计相关的国家标准有《GB/T3408.1-2008大坝监测仪器应变计第1部分：差动电阻式应变计》、《GB/T3408.2-2008大坝监测仪器应变计第2部分：振弦式应变计》和《GB/T13606-2007土工试验仪器岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件》，对振弦式应变计及其检测方法进行了规范，分别从计量特性的分辨力、满量程输出、滞后、不重复度、综合误差等方面给出相应约束。与光纤光栅应变传感器相关的国家标准或技术规范中，目前仅有建工行业推荐性标准《JG/T422-2013土木工程用光纤光栅应变传感器》，分别从综合误差、分辨力、重复性、插入损耗等方面进行约束，其中综合误差包括滞后、不重复度、非线性（除温度）等各种因素导致输出值和真实值的差异。

3校准装置

2009年研发了一种振弦式应变传感器校准装置，其形变范围最大为3mm，千分表作为变形量的计量标准，应变测量的分辨力约0.1%。设计了一套振弦应变传感器校准装置，最大标距300mm，测量分辨力2μm，光栅尺作为变形量的测量标准，分析测量不确定度约为0.2%。研制了振弦式应变计标定仪，用百分表作为变形量的计量标准，其分辨力为0.01mm。随着科技的发展，在一些行业和领域中对应变计的精度要求越来越高。研制的应变计分辨力能可达到0.67nε;研制的光纤应变传感系统中光纤应变传感器分辨力达到4.5nε。精度越来越高的应变计存在校准难的问题，针对高精度应变校准需求，我们采用激光干涉法测量应变计的长度变化量，设计了基于激光干涉法的校准装置。该装置主要由精密直线导轨、测量系统、移动滑台、固定平台、频率采集仪、激光干涉仪组件和伺服电机构成。校准时，应变传感器的两端分别安装移动滑台和固定平台上，移动滑台在丝杠的带动下，产生微小位移，位移量可通过激光干涉仪测出。测量时，光轴与运动平台移动方向一致，使应变计的测量线与光轴接近，可有效减小阿贝误差的影响。校准装置的特点:用激光干涉仪作为应变计变化量的测量仪器，其测量分辨力达到1nm，测量不确定度为U=1×10－6L(k=2)，L为示值。校准装置可满足多种标距应变计校准需求，标距最大可达500mm。采用伺服电机驱动移动滑台运动，提高了校准的准确性和校准速度，通过软件控制电机的运动，实现校准过程的自动化。移动滑台工作面呈长方形，有效减小运动过程中摆动或俯仰的影响。可在一个行程内中完成应变计拉伸和压缩试验。

4计算方法

在计量特性的计算方法上，各文献中有很多不统一的地方，为了配合高精度校准装置的使用，需要高精度的计算方法。在计算性能指标时，要求在量程范围内等间距选取校准点，而实际测量时校准点的选取会产生误差，这种位置误差会直接影响到测量结果。为此，提出一种改进的最小二乘法，来计算高精度应变计的计量特性。以校准振弦式应变计的计量特性为例，用振弦频率采集仪读取应变计的输出频率，应变值的计算公式为:Pi=K(f2i－f20)+C+d(Tt－Ti)(1)式中:Pi为第i个测量点的应变值，με;K为应变计的灵敏度，με/Hz2;f0为初始输出频率，Hz;fi为第i个测量点的输出频率值，Hz;C为应变计自由状态输出，με;d为应变计温度修正系数，με/℃;Tt为测试时的温度，℃;Ti为基准温度，℃。在实验室校准应变计时，20℃恒温实验室2h内温度变化不超过0.2℃，因对校准结果的影响不明显，故暂时不考虑温度变化的影响。规范的计算中没有考虑到标距的影响，在校准时应把标距作为重要参数引入应变的计算中。

结束语

对应变计的国家标准和技术规范中计量特性术语不统一的问题进行了讨论，并对应变计的主要计量特性进行了分析。提出一种改进的最小二乘法计算计量特性的方法，减小校准点位置选取误差对分析结果的影响。

参考文献

［1］戴显著.工具式应变传感器在桥梁检测中的应用研究［D］.重庆:重庆交通大学，2015.

［2］GB/T3408.1—2008大坝监测仪器应变计第1部分:差动电阻式应变计［S］.

［3］GB/T3408.2—2008大坝监测仪器应变计第2部分:振弦式应变计［S］.

［4］何祖源刘庆文陈嘉庚.面向地壳形变观测的超高分辨率光纤应变传感系统［J］．物理学报，2017，66(7):074208.