[發明專利]一種應變計動態特性檢測裝置及其測試方法

在審

• 申請號: 202010062512.6
• 申請日: 2020-01-20
• 公開（公告）號: CN111141206A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 宋正河;楊子涵;謝斌;溫昌凱
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 北京中安信知識產權代理事務所(普通合伙) 11248
• 代理人: 徐林

1.一種應變計動態特性檢測裝置，其特征在于：包括激振器(1)、推桿(2)、阻抗頭(3)、磁座(4)、試件(5)、信號采集儀(6)、夾具平臺(7)、應變計(8)、標準應變獲取裝置(9)、夾具(10)、信號發生器(11)和功率放大器(12)；

所述激振器(1)和夾具(10)固定在夾具平臺(7)上；試件(5)沿豎直方向固定在夾具(10)上；應變計(8)和標準應變獲取裝置(9)分別安裝在試件(5)靠近夾具(10)的應力集中區域的兩側，且應變計(8)與標準應變獲取裝置(9)的測點相重合；阻抗頭(3)安裝在試件(5)距離夾具(10)的遠端，阻抗頭(3)與應變計(8)位于試件(5)的同側，且阻抗頭(3)與應變計(8)的中心位于試件(5)的中心線上；應變計(8)和標準應變獲取裝置(9)分別粘貼于試件(5)上，阻抗頭(3)通過磁座(4)吸附于試件(5)上；阻抗頭(3)、應變計(8)和標準應變獲取裝置(9)分別通過各自的線纜與信號采集儀(6)相連；激振器(1)和阻抗頭(3)分別與推桿(2)的兩端相連；信號發生器(11)通過線纜與功率放大器(12)相連，功率放大器(12)通過線纜與激振器(1)相連。

2.如權利要求1所述的應變計動態特性檢測裝置，其特征在于：標準應變獲取裝置(9)為壓電材料制成的高精度應變傳感器。

3.使用如權利要求1或2所述的應變計動態特性檢測裝置的應變計動態特性測試方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

步驟1：獲取已知激勵下的應變計的響應信號；

搭建上述應變計動態特性檢測裝置，利用信號發生器(11)輸出特征已知的激勵信號，激振器(1)產生相應的激勵并作用于試件(5)上磁座(4)吸附的區域，利用信號采集儀(6)獲取阻抗頭(3)的激勵信號，與信號發生器(11)輸出的激勵信號進行對比，驗證激勵的一致性；與此同時，利用信號采集儀(6)獲取同一測點的應變計(8)的應變信號和標準應變獲取裝置(9)的標準應變信號B(j)；

步驟2：計算當前激勵下的應變計(8)獲取的應變信號幅值σ和標準應變信號幅值σ₀；

步驟2.1：對應變計(8)獲取的應變信號進行經驗模態分解，得到有限個本征模態函數(IMF)和一個殘余函數之和的形式，即：

式中，x(t)為應變計(8)獲取的應變信號，單位為με；為各個IMF分量，單位為με；r(t)為殘余函數，單位為με；

步驟2.2：計算各個IMF分量的能量占比：

式中，為第i個IMF分量，單位為με；E_i(j)為第i個IMF分量的能量參數；x(j)為應變計(8)獲取的應變信號，單位為με；E_x(j)為應變計(8)獲取的應變信號x(j)的能量參數；j為信號的樣本點編號；N為信號的樣本點總數；ER(i)為第i個IMF分量的能量占比；

步驟2.3：將各個IMF分量按照能量占比從大到小進行排序，得到新的IMF序列：

γ₁(j),γ₂(j)…

步驟2.4：將能量占比最大的IMF分量γ₁(j)作為IMF組合信號H(j)的初始值，將IMF組合信號H(j)與利用標準應變獲取裝置(9)測取的標準應變信號B(j)進行相關性分析，得到第一相關系數r的初始值：

式中，Cov(H,B)為H(j)與B(j)的協方差，Var(H)和Var(B)分別為H(j)和B(j)的方差；

步驟2.5：將IMF組合信號H(j)的初始值γ₁(j)和γ₂(j)相加并與標準應變信號進行相關性分析，計算第二相關系數z；

與第一相關系數r對比，若第二相關系數z大于等于第一相關系數r，則將γ₁(j)和γ₂(j)作為新的IMF組合信號H(j)，并將第二相關系數z的值賦給第一相關系數r；若相關系數減小，則按能量占比順序繼續將H(j)與下一個IMF分量相加與標準應變信號進行相關性分析；

步驟2.6：重復步驟2.5，當所有IMF分量均經過疊加并完成相關性分析后迭代終止，篩選得到最終的IMF組合信號H(j)即為應變計(8)獲取的有效應變信號G(j)；

步驟2.7：分別對篩選出的有效應變信號G(j)進行峰谷值提取并過濾掉小載荷循環，計算峰值序列均值為PT，谷值序列均值為PD，求得應變計(8)獲取的有效應變信號的幅值σ為：

σ單位為με

步驟2.8：對標準應變獲取裝置(9)的標準應變信號B(j)進行峰谷值提取并過濾掉小載荷循環，計算峰值序列均值為PT₀，谷值序列均值為PD₀，求得標準應變獲取裝置(9)的標準應變信號的幅值σ₀為：

σ₀單位為με

步驟3：時域分析

重復步驟1和步驟2，通過對比應變計(8)獲取的有效應變信號幅值σ和標準應變信號幅值σ₀，得到該應變測量系統在特定頻率和幅值激勵下的動態應變幅值特征；利用應變計(8)獲取的應變信號x(j)和篩選得到的有效應變信號G(j)計算得到誤差信號ε(j)：

ε(j)＝x(j)-G(j)，單位為με；

步驟4：頻域分析

分別對篩選得到的有效應變信號G(j)和標準應變信號B(j)進行傅里葉變換，得到G(j)的主頻為f(Hz)，B(j)的主頻為f₀(Hz)，對比二者的一致性得到該應變測量系統在特定頻率和幅值激勵下的動態應變頻率特征，f和f₀差值的絕對值即為應變測量系統在當前激勵下的頻率誤差f_ε(Hz)；

f_ε＝|f-f₀|，單位為Hz。

4.如權利要求3所述的應變計動態特性測試方法，其特征在于：步驟1中，所述激勵信號為幅值和頻率一定的交變載荷信號。