标定试验（精选7篇）
标定试验 篇1
轨道检测车对轨道线路状态进行动态检测, 检查线路不良状态类型、程度和位置, 指导线路养护维修, 保障铁路运输安全。其轨道检测系统在使用前需要进行试验和标定, 目的是将检测系统设备部件与整个系统进行功能验证、试运行和参数标定。试验和标定设备对精度、稳定性要求较高, 一套完备的标定与试验手段是检测系统运行的最基本条件。
1 轨道检测系统试验及标定内容
轨道检测系统检测内容包括:轨距、高低、轨向、水平 (超高) 、三角坑、曲率、车体响应, 需要进行激光摄像检测参数、轨距、轨向、高低、水平等标定。
2 试验及标定设备
2.1 视觉测量参数简易现场标定器
视觉测量的基本任务之一是通过摄像机获取图像信息计算三维空间中物体的几何信息, 并由此重建和识别物体。三维空间中物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系由摄像机成像的几何模型决定, 几何模型中的参数是摄像机参数, 即视觉测量参数。视觉测量参数包括摄像机的内部几何和光学特性 (内部参数) 及摄像机的三维位置和方向 (外部参数) 。内部参数主要包括摄像机焦距、镜头畸变系数及图像平面原点的计算机图像坐标;外部参数包括旋转矩阵和平移矩阵。
视觉测量参数简易现场标定器 (见图1) 适用于钢轨轮廓图像视觉测量参数的标定, 包括固定部 (固定在被检测钢轨上) 、标定部 (与固定部连接) 、反射部 (针板和在针板上的数个标定针) 。
通过固定在检测设备上的固定部和反射部, 将轨廓视觉图像测量参数标定器直接固定在钢轨上, 解决了以往同类设备标定过程繁琐、效率低和存在安全隐患问题, 其标定方法简便, 提高了工作效率。视觉测量参数简易现场标定器现场使用状态见图2。
2.2 两自由度激光摄像组件标定台
激光摄像组件是轨道检测系统主要数据采集部件之一, 采集的数据包括轨距和高低变化量, 其准确度直接影响整个轨道检测系统的检测结果。因此, 激光摄像组件的准确验证及标定至关重要。激光摄像组件标定台主体由控制箱、驱动器、平移台、控制卡及主机构成, 可在实验室一次性对激光摄像组件作整体标定。在标定获取激光摄像组件图像参数后, 使用激光摄像组件标定台对钢轨横向和纵向位移进行控制, 同时使用激光摄像组件测量单边轨距的变化。
1标定针;2针板垂直面;3针板主体;4水平定位螺栓;5水准泡;6磁性底座;7固定架;8钢轨;9标定部;10针板水平面;11定位销;12垂直定位螺栓;13固定部;a磁性底座安装孔
标定时计算机给出精确的标定台位移量, 使标准轨断面按步进或给定频率运动 (运动方式包括匀速、加速、减速、正余弦速度往复等) 。激光摄像组件中的摄像机采集照射在钢轨断面上的激光线, 通过处理转换为测量位移。将2组数值与系统处理数据对比, 根据对比差异进行软硬件调整及标定。如电控位移台控制钢轨位移量分别是1、2、3mm时, 检测系统检测得到的单边轨距变化量也应是1、2、3mm, 这样才能保证轨距测量精度在±0.5mm内。
将单侧短轨移动5个位置进行轨距测量, 然后与实际值进行比较。在1435mm位置处观测30min, 积累15个样本值, 观测其稳定性。标定台两自由度的位移分辨率为0.02mm, 重复定位精度为0.003mm, 绝对定位精度为0.005mm, 可满足轨距测量精度±0.5mm以内的要求。
2.3 轨向高低标定仪
轨道检测系统的轨向和高低信号来自激光摄像组件测得的单边轨距或高低位移、轨向加速度计和垂向加速度计测得的惯性位移。单边轨距指轨距点相对检测梁 (轨向加速度计) 的位移, 高低位移指轨顶面相对检测梁 (垂向加速度计) 的位移, 惯性位移指轨向及垂向加速度计相对惯性基准的位移。只要保证惯性位移测量与单边轨距精度相似, 轨向检测精度即可保证。
轨向高低标定仪 (见图3) 由伺服电机、运动导轨、钢轨廓面模拟板、加速度计安装板、平台调整支架、平台箱体、电路系统、数字显示器等部分组成。平台调整支架标定时夹紧钢轨以固定整个台体, 在加速度计安装板上安装加速度计, 其与台面刚性连接。钢轨廓面模拟板通过端部螺栓与台面刚性连接, 廓面模拟板与加速度计同步运动。数字显示器实时显示标定仪的运动频率, 标定人员可随时了解运动状态。轨向高低标定仪的运动距离为25 mm, 运动频率满足0、0.5、1、2 Hz不同档位的随时更换, 运动频率准确、稳定。轨向高低标定仪标定时, 将轨向加速度计与廓面模拟板固定在加速度计安装板上, 当加速度计安装板按一定频率做往复运动时, 轨距的测量位移为正弦波, 惯性位移的输出值也为正弦波。调试信号调节板的增益和相位, 当单边轨距和惯性位移相减后输出值为0时, 可认为惯性位移与单边轨距检测精度相同。这种标定方法俗称轨向的“平衡”标定。同理, 高低的标定是将平台调整支架翻转90°, 加速度计同向旋转90°进行“平衡”标定。轨向高低标定仪的位移范围:0~25 mm;位移精确度:0.2 mm;分辨率:0.1 mm;往复频率:可调0.5、1、2 Hz;供电:220 V, 50/60 Hz;运动方向平行度:0.1 mm;环境温度:-20~40℃;质量:小于12 kg。
2.4 两自由度惯性组件试验台
惯性组件是轨道检测系统中重要的惯性器件, 可转动测量 (横摇、航偏、俯仰) 2或3个方向, 是进行惯性组件试验和水平标定的关键设备。惯性组件试验台 (见图4) 由控制箱、伺服驱动器、控制卡、角位台、旋转台及主机组成, 其上平台为一个水平方向的旋转台 (航偏运动) , 下平台为一个垂直方向的摇摆台 (横摇或俯仰运动) 。惯性组件试验台可实现惯性组件的波形比较试验, 验证不同检测车上的不同类型惯性组件间的差异, 并根据差异进行一致性调整。水平标定时, 可对惯性组件姿态进行精确控制, 通过采集的数据波形进行数据软硬件调整, 达到水平标定目的。惯性组件试验台可长时间按两自由度给定波形运动, 横摇角可30°往复运动, 航偏角可360°无限量旋转, 分辨率0.02mm, 最高速度180°/s;重复定位精度0.005°;绝对定位精度0.01°。
2.5 多自由度综合系统试验台
多自由度综合系统试验台 (见图5) 是可多自由度运动的平台, 由控制计算机、驱动控制箱、光学平台、上下运动平台等部分组成, 其中上下运动平台可横向及纵向运动, 可对任意组合的图像识别设备进行相对运动试验。多自由度综合系统试验台的4台电机可同时控制, 控制器由控制单元、驱动器、稳压电路组成。控制单元采用高速、高性能、低功耗的MCU芯片, 软硬件采用防护措施, 保证系统运行的稳定性和可靠性。全功能手动键盘配置和丰富的液晶屏信息显示便于操作。运动过程中速度快慢可调节。驱动器可控, 并根据具体型号进行细分设置, 最大为256细分。支持S曲线加减速, 加速度可根据负载类型自由设置, 最快加速时间10 ms, 可进行轻载、小惯量和重载、大惯量的负载平滑加减速。支持软硬限位功能、零位安装位置设置、脉冲、毫米及度、分、秒的输入和显示。多自由度综合系统试验台可控位移0.001mm, 目前可进行扣件识别、钢轨表面擦伤、弓网定位器坡度识别等试验。
2.6 六自由度轨检系统测试与标定试验台
轨道检测系统测试与标定试验台为一套机电控制系统, 是目前我国唯一的轨检梁整系统试验与标定平台, 主要功能如下:
(1) 检测系统仿真分析。
轨道检测系统运动试验台用于模拟轨道检测设备在列车转向架上的相对钢轨运动。其控制系统可采用自动和人工控制, 可预先设置轨道检测系统传感器及钢轨的运动状态。计算机处理系统可精确给出轨道检测梁及钢轨的姿态变化, 仿真轨道不平顺, 达到近似模拟轨道检测系统在线路上运行的效果。
(2) 检测系统标定分析。
轨道检测系统试验台为满足激光摄像组件、惯性组件等设备标定试验要求, 可实现实验设备的正弦波振动、实际列车运行环境下的轨检梁振动模拟、按指定波形参数进行的振动, 使各种运动得到分解, 满足轨道检测系统的分析及标定。轨道检测系统测试与标定试验台 (见图6) 由上下平台、作动缸、控制机箱、驱动器、上位机、数据网络等部分组成。
轨道检测系统测试与标定试验台具有六自由度的运动模拟功能, 可实现3个正交方向的直线运动, 同时可对俯仰、摇摆和航偏方向的运动进行模拟。轨道检测系统接收上位计算机的运动指令, 控制器控制6个电动伺服作动器, 实现六自由度的运动再现。运动模拟平台可实现各自由度上规则波和随机波的运动。
轨道检测系统测试与标定试验台两侧的轨道安装平台具有沿轨道切线水平和垂直2个方向运动的自由度, 可模拟轨道高度和水平的横向运动;可控制正弦波、三角波、方波、梯形波、锯齿波、任意形状随机波的波形, 也可以通过数据文件直接输入自定义波形;可实时显示运动平台的6个运动方向波形、位移和各个电动作动器的受力;可将命令值、反馈值等数据实时存储到文件中;可对位移超限和力超限保护。
轨道检测系统标定时, 将轨道检测梁放置在试验台的上平台, 根据轨道检测车采集到的现场数据进行平台位姿及加速度控制。数据的回放和姿态复现对轨道检测系统的重复性验证及可靠性验证具有重要意义。
轨道检测系统测试与标定试验台可进行0~50Hz的扫频运动, 垂向最大加速度±5g, 横向最大加速度±3g, 满足Z方向-100~100mm垂向运动、Y方向-100~100mm水平横向运动、绕Z轴转动-30°~30° (偏航) 、绕X轴转动-26°~26° (横摇) 。
3 结束语
轨道检测系统是一个多学科、复杂的系统工程, 对列车的安全运行起重要作用。轨道检测系统试验及标定设备的完备是轨道检测系统职能的根本保证, 轨道检测标定设备大幅度提升的同时, 实现了对轨道检测系统的试验可控能力。
结构试验中位移测量系统的标定 篇2
1 标定
1.1 试验组成
为了探讨实验室自检定位移测量系统的方法,研究位移传感器的使用对结果准确性的影响程度,笔者在实验室常用位移测量系统中选择了一系列不同量程位移计所组成的测量系统进行了标定试验。该系统组成有DH3818静态应变测试仪、YHD位移传感器、笔记本电脑。试验用的标定标准是日本产164 series Digimatic Head(数字测微头)。
在结构试验中,试件的位移量通过位移传感器的感应,将输出信号传递给数据采集仪(即静态应变测试仪),在这个过程中位移传感器本身的误差会通过数据采集仪继续传递下去,数据采集仪把电信号转换成数字量后将其传送给计算机,这个过程是数字量的传递,误差可以忽略,所以依旧是数据带来的传感器误差。在选取的标定试验中考虑到最终结果是要进行误差组合的,所以标定结果误差是综合之后作为一个量来进行最后结果修正的。
1.2 标定步骤
关于位移传感器的标定国家并未有相关规程,所以笔者参考了JJG 34-96中华人民共和国国家检定规程——指示表中检定百分表示值误差的方法设计了此次标定试验,规程中是将检定仪和指示表分别对好零位,百分表示值误差是在正反行程的方向上每间隔10个分度进行检定,直到工作行程终点,继续压缩测杆使指针转过10个分度,接着反向检定。在位移测量系统的标定试验中是将YHD型位移传感器安装固定在数字测微头上,并将位移传感器的导线与DH3818静态应变测试仪连接,连接方式采用半桥连接。打开手摇式数字测微头,并校零,将其测头与位移传感器接触,但对位移传感器无压力;打开DH3818静态应变测试仪及其软件并对仪器进行平衡,完成后开始测试。对于不同量程位移传感器,所取的测量间隔不同,单次行程测点数据也不相同,为了得到统计结果,上述过程会被重复多次进行。
2 标定结果处理
笔者应用了SPSS统计软件对结果进行处理,得出:
50 mm位移计所组成的系统的回归方程如下:
正向行程回归方程:f(x)=202.239×x+7.1;
逆向行程回归方程:f(x)=202.248×x+7.302。
30 mm位移计所组成的系统的回归方程如下:
正向行程回归方程:f(x)=199.441×x-13.755;
逆向行程回归方程:f(x)=199.436×x-12.381。
100 mm位移计所组成的系统的回归方程如下:
正向行程回归方程:f(x)=202.064×x+5.429;
逆向行程回归方程:f(x)=202.076×x+7.896。
出厂时三种量程位移计的线性关系是相同的,因使用时间不同,所以才会出现这些差别。所以具体使用该系统时要把记录数据利用上述线性关系进行结果的处理。
3 随机过程与使用寿命关系探讨
3.1 理论研究
在我们的实际工程中,一个随机系统的状态随着时间而改变,在时间t的状态具有偶然性,它是一个随机变量x(t),数学上的随机过程可以简单的定义为一组随机变量,即指定一参数集,对于其中每一参数点t指定一个随机变量x(t)。如果回忆起随机变量自身就是一个函数,以ω表示随机变量x(t)的定义域中的一点,并以x(t,ω)表示随机变量在ω的值,则随机过程就由刚才定义的点偶(t,ω)的函数以及概率的分配完全确定。如果固定t,这个二元函数就定义一个ω的函数,即以x(t)表示的随机变量。如果固定ω,这个二元函数就定义一个t的函数,这是过程的样本函数。
位移测量系统的实验室标定结果就是一个随时间而改变的随机变量,即随机过程。位移输入是不随时间而改变的,应变输出值却随着传感器使用时间的改变而改变着,所以它们的回归关系正好符合上述随机过程的定义。既然如此,那么就证明一次的标定并非终生有效。所以研究这个随机过程与其使用寿命的关系就显得很重要了。
随机过程是一组随机变量,类似于单个随机变量,所以也可以定义其概率分布函数和概率密度函数,对于随机序列,它们的概率性质完全由n维概率分布函数或对应的n维概率密度函数确定。尤其是我们实际中遇到的大多数样本连续的随机过程,在一个很小的时间间隔Δt内,x(t1)和x(t1+Δt)可能出现的数值之间常常存在相关性。因此这一类的连续随机过程可以用n维概率分布函数来逼近描述它们的概率性质。更为实用的则是用二维概率分布函数来描述随机过程x(t)的统计特征,包括它的数学期望和方差,自相关函数等。
在位移传感器的使用参数这个随机过程中,我们可以通过研究其统计特征,来确定该参数与使用时间的关系,从而推断其使用寿命,但这只是理论。实际应用于实验室自检测时,则需要将其简化,寻找最简便方法。
3.2试验设想
在以上理论基础以及最初的标定试验基础上,笔者进行了位移传感器使用寿命试验的设计:1)标定标准的选择。根据试验结果的精度要求,可以选择用量块作为更高一级的标准,对位移测量系统进行输入。2)环境选择。考虑到实际该测量系统使用时的现实条件,进行环境选择,包括空气温度和湿度以及周围噪声和磁场干扰都要考虑在内,保证试验条件接近真实使用环境。3)测量的方式,性能指标及失效标准。性能指标是确定的,即位移与应变输出值之间的关系。测量方式则是该试验的难点,同样采用最初标定的试验方法,但是在试验次数的选择上要采用按概率论知识计算出来的数据,这就需要确定一个置信度,即多大概率内的结果有效。但目前国家并无此方面规范,此类研究也鲜见于相关文章中,所以更需要考虑的全面。由于传感器在使用中会与不同的应变测试仪配套使用,建议确定参加试验的系统应将各类搭配都算在内进行。可以进行横向比较,使结果更加接近真实。因最终利用随机过程理论确定寿命,所以试验周期不宜过长。
4结语
本文通过位移测量系统的标定试验与相关理论介绍探讨了位移传感器使用参数与其使用状态的关系,又通过试验设计阐述了自己的设想,为实验室自检定静态位移传感器提供了理论依据和实际方法,具有一定的现实意义。今后的工作就是通过试验去验证这些结论,会在以后的研究工作中进行。
参考文献
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[3]姚振纲,刘祖华.建筑结构试验[M].上海:同济大学出版社,1996.
天幕靶灵敏度的标定方法与试验 篇3
1 天幕靶灵敏度分析
根据天幕靶的工作原理[1]可知,天幕靶灵敏度是指能探测的最小光通量相对变化量。假设某天幕靶能探测的最小光通量的相对变化量为δ[2,3,4,5],则用下式表示
式中,Φ为到达光电探测器件敏感面的总光通量;ΔΦmin为能探测的光通量最小变化量。
为了研究方便,假设天幕靶光学镜头各处光能量衰减一致,天空亮度恒定,测试的弹丸长度足够长,从光幕的任何位置穿过,其长度均大于光幕的厚度。则最小光通量的变化量可以用弹丸穿过处的遮光面积来表示。图1是弹丸穿过光幕的示意图。
光电管接收的光通量等于狭缝的面积乘以进入狭缝的光的照度,对于光学镜头物镜像面上的照度,由光度学公式有[6]
式中,f是光学镜头的焦距;D是通光孔径;Lv是光亮度;τ是透射比。则有
式中,Φ是通过狭缝的总光通量;a是狭缝光缆的长度;b是宽度。
假设直径为d,长度为l的弹丸,从距离镜头H处的光轴穿过天幕靶的光幕面,该位置的光幕厚度为B,假设Hmax为天幕靶探测该弹丸的极限距离,弹丸穿过光幕成像如图2所示,其中弹丸长度l≥B,此时,弹丸遮挡的光通量ΔΦmin是该天幕能探测的最小光通量,按下式计算为
由式(1)、式(3)、式(4)解得
式中,f、a、δ都是常数。从式(5)可以看出,当天空亮度一定时,在lB的条件下,天幕靶的极限探测距离Hmax由弹丸的直径d决定。令φ=f/aδ,则有
式中,φ为倍弹径数,是探测极限距离与弹丸弹径的比值,用来描述天幕靶灵敏度大小。当lB时,φ与被测弹丸的参数无关,天幕靶的灵敏度可以用φ唯一表达。已知天幕靶的倍弹径数,乘以弹径就是天幕靶探测该弹丸的极限距离。
当在Hmax处,l
由式(1)、式(3)、式(7)解得
此时倍弹径数有
由式(9)可以看出,φ与被测弹丸的参数有关,用倍弹径数不能唯一描述天幕靶的灵敏度。
2 灵敏度标定方法与描述式
实际中,对于弹径较大的弹丸天幕靶极限探测距离高达十几米甚至几十米,用实际弹丸验证灵敏度的试验,操作难度较大,还存在安全隐患。因此,文中提出一种用小口径弹丸标定天幕靶灵敏度。假定对给定的天幕靶,在天空亮度一定的情况下,天幕靶的灵敏度是一个定值。用气枪弹垂直射击天幕靶光幕,使弹丸垂直飞过天幕靶的光幕,用示波器观察天幕靶的弹形信号,逐步抬高弹道高度,当在高度H处多次射击均可以检测到有效信号,而高于H存在50%的漏测或者一半结果则数据无效,定义此时的弹道高度就是气枪弹能够探测的极限高度Hmax。
定义φ0为天幕靶的标称倍弹径数[7],则有
式中,H0为天幕靶标称探测极限距离;d0为弹径。H0处弹长l0正好等于H0处光幕厚度,k0=l0/d0,即用弹长为l0、弹径为d0的弹丸标定灵敏度,极限探测距离为H0,则天幕靶的灵敏度可以用唯一一组参数(φ0,k0)表示。
推论:对于弹长与弹径比值相等的弹丸,其极限探测距离之比等于弹径比。
用确定弹长与弹径的弹丸,按上述标定方法测出的极限距离Hmax,根据天幕靶灵敏度不变的原理,可以直接换算到灵敏度表示式(φ0,k0)。
假设对于给定弹径为dq、弹长为lq的气枪弹,对给定的天幕靶进行灵敏度标定试验,得到极限探测距离Hq max,按下述2种情况换算到灵敏度表示式。
(1)lq小于Hq max处的光幕厚度
假设用弹径为d0,弹长为l0的弹丸,天幕靶极限探测距离也是Hq max,l0=B,有l0=b Hq max/f,由式(4)、式(8)解得
则有
(2)lq大于等于Hq max处的光幕厚度
假设用弹径为d0,弹长为l0的弹丸,天幕靶极限探测距离也是Hq max,l0=B,有l0=b Hq max/f,d0=dq则有
实际使用天幕靶,测试一确定弹长lc与弹径dc的弹丸,令kc=lc/d,根据天幕靶的灵敏度参数(φ0,k0),按下述2种情况测算天幕靶的极限探测距离为
3 灵敏度的空域位置修正
假定天空亮度均匀,同一弹丸穿过光幕不同位置,在成像面上轴外像点的像方孔径角小于轴上像点的像方孔径角,轴外像点上的照度小于轴上像点的照度,在光电管产生的光通量变化不同,因此,要对上述标定的灵敏度标称值进行位置修正,以便为使用提供依据。假设E′为光轴外像点照度,E0′为光轴上像点照度,ω为轴外像偏离角,图4为光路图,有光度学公式[8,9]为
式中,E′为光轴外像点照度;E′0为光轴上像点照度;ω为轴外像偏离角,如图4。
假设有一弹丸弹径为dω0,弹长为lω0的弹丸,穿过光幕的位置点到镜头的直线距离为Hq max,弹长lω0=Bω,偏离轴ω,到镜头垂直距离Hω,依照弹丸轴上过靶灵敏度计算方法,空域位置灵敏度计算如下
结论:对于弹径为dc,弹长为lc的待测弹丸,弹长弹径比为kc,从偏离轴ω过靶,其极限探测距离Hc max的计算如下
4 试验与结论
4.1 试验条件
试验天气阴天,在30 min内完成试验,认为天空照度不变,照度计30°套筒限定视场,试验平均照度为736 Lux;使用XGK-80水平天幕靶为测试对象,镜头焦距为50 mm,缝宽0.5 mm,缝长40 mm;使用气枪进行测试,气枪弹弹径4.5 mm,长5 mm,速度140±20 m/s;手持射击,枪口距离靶板2 000mm,天幕靶距离靶板500 mm。
4.2 垂直灵敏度标定试验
从2 000 mm处向上每间隔100 mm射击3次,此时信号噪声电压最大为2.3 V,为保证测试可靠性,示波器触发电平设置3 V(与天空照度有关)。在2 900 mm处射击,无触发2次,返回2 800 mm处,射击10次均有效,信号平均幅值为3.24 V,取2 800为此次试验条件下的极限探测高度。
气枪弹弹长小于此时的幕厚B,由式(12)、式(13)计算得φ≈3 480;k≈35。
由式(12)可以看出与探测灵敏度相关的参数有Hmax、b、f、dq、lq,镜头采用定焦镜头精度高,认为镜头无误差,误差公式有
取高度测量误差为100 mm,缝宽误差为0.005mm,弹径和弹长测量误差为0.02,计算得Δφ≈345。
为保证仪器测试的可靠性,保证每发弹丸都可以测试出结果,因此φ0=3 100,k0=35。
4.3 空域位置灵敏度标定试验
假设直径为d的弹丸,从高度为H的弹道上飞过天幕靶的视场,遮挡的光通量ΔΦmin所引起光电转换器件光电流的变化量ΔI,经过调理、放大电路后,输出模拟信号的幅值为V,即
式中,β为电路放大倍数;R为电流电压转换电阻;α为光电探测器件的光照灵敏度[10]。可以看出,输出电压的高低与光通量的变化成正比。
对于给定的天幕靶,以轴上的信号幅值为满幅值,则轴外点电压相对变化为
结合式(20),可得弹丸过靶信号幅值的相对变化和偏轴倍弹径数的相对变化相等,由此可见,在同一射击高度上,测试出不同空域位置ω处信号幅值的相对变化,即可得到天幕靶灵敏度的相对变化。
在2 400 mm处进行横向射击,每一位置射击5次,取5次平均值作为该位置测试数据。图5为实验测得镜头在2.3 m距离上信号幅值变化和计算信号幅值相对变化。
从图5可以看出,计算相对变化曲线与测试相对变化曲线变化趋势相同,但测试值变化显著,与测试值存在较大的差异,由于系统采用的是照相机镜头,在设计的时候为了保证中心区域的成像质量,镜头设计是带有渐晕,因此计算值应该按照下式计算
式中,p为渐晕系数,且p小于1。所以计算值的变化应该更显著;因为测试值是通过测试信号电压幅值计算的,在测试的时候天空照度是变化的,也会对信号幅值的测量带来影响。对计算值与测试值进行相关检验,相关系数为0.892,具有很好的相似性。
文中主要是对于天幕靶灵敏度标定方法的研究,前人对天幕靶灵敏度的标定主要是基于经验方法。文中的试验使用的是气枪,气枪射击速度变化较大,气枪弹形状不是圆柱,射击方式不够精确,故而存在精度不够高的问题。文中给出的天幕靶灵敏度一组参数倍弹径数和弹长弹径比,可唯一地描述天幕靶灵敏度指标。实验验证了天幕靶视场空域不同位置灵敏度的变化规律。文中所做的研究是假定天空背景亮度均匀的基础上进行的,对于天空亮度不均匀及天空亮度随时间变化较大时需要做进一步的研究。
参考文献
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标定试验 篇4
1 风量装置标定原理
利用标准测速管测得的气流平均动压计算气流流量, 再与电厂DCS系统中显示的风量相比, 所得的比值为对应工况下的风量装置标定系数, 风量装置标定系数的过程即为风量装置的标定过程。前述风量标定系数的概念有别于文献[3]中所述的内容, 但其原理是一致的。
风量标定的计算公式为[4]
式中:v为气流速度, m/s;k为测速管速度系数 (在该标定系统设计中所有测速管k为1.0) ;Q1为气流体积流量, m3/h;Q2为气流质量流量, kg/h;Q3为电厂DCS系统显示的风量, m3/h或kg/h;pd为测速管测得的动压, Pa;ρ为气流密度, 按照公式 (4) 计算, kg/m3;A为管道截面积, m2;pa为大气压力, Pa;pp为管道内气体静压, Pa;t为管道内气体温度, ℃;ρθ为标准状态下气流密度, kg/m3;d为干空气中含湿量, 可以根据试验地环境参数选取, g/kg (干空气) ;λ为风量装置标定系数, 标定完成后可以直接乘以DCS系统风量显示值, 就可以得到标定后的准确风量。
2 风量装置标定系统介绍
2.1 风量装置标定系统总体构成
选用高精密压力变送器、热电偶、NIUSB-6009采集卡和Lab VIEW软件设计了实时在线风量装置标定系统。该系统能同时采集6个动压信号、1个静压信号和1个温度信号, 在系统软件内部实现了一次采集信号到速度、流量和标定系数的转换、实时显示、存储、报表生成等功能。由于系统的软件开发环境Lab VIEW是美国国家仪器公司的创新软件产品[5], 因此它能够方便快捷的实现图形化模块式编程与二次软件开发。基于Lab VIEW的实时在线风量装置标定系统结构如图1所示。
2.2 风量装置标定系统硬件及软件组成
该设计系统包括硬件和软件构成两部分。其中硬件构成如图2所示, 软件模块构成如图3所示。
1) 系统硬件由1台电脑、1个采集卡、7个高精密压力变送器 (其中6个测量差压, 1个测量静压) 、1支高精密T型热电偶、1个恒压源 (24 V) 、8组隔离放大器 (其中, 7组实现4~20 m A至0~10 V转换, 1组实现0~50 m V至0~10 V转换) 、2组符合ISO 10780标准的高精度L型皮托管 (1组7支6 mm, 长500 mm;1组7支10 mm, 长3000 mm, 可根据现场风道尺寸选择) 等部件组成。
2) 系统软件模块由主程序模块、用户管理模块、数据采集模块、数据分析模块、数据管理模块、人机接口、报表生成7部分组成。其中, 用主程序模块完成系统的启动、停止以及各子模块的调用;用户管理模块完成设计系统使用人员的权限判定、存储、查询、修改、删除等功能;用数据采集模块完成数据采集卡等硬件的判断、通道任务配置、采集参数配置和数据采集功能;数据分析模块与数据采集模块同步, 实现数据有动压到风速、风量的转换和显示功能;数据管理模块完成数据存储 (与数据分析模块同步) 、历史数据查询、回放和删除等功能;在人机接口完成试验实际风道参数输入、当地湿度选择或输入、试验后不确定度评定以及标定系数的线性度判定;用报表生成试验数据、试验结果的报告, 同时报告文件格式可以选择用Word、Excel或HTML等形式显示并存储下来。
3 风量标定系统关键功能的实现
为解决常规风量标定方法的不足, 设计了风量标定系统, 不但具有数据采集、数据分析、数据显示、数据存储功能, 同时它还具有从测点布置到数据分析计算的规范化、智能化等功能。
3.1 系统同步控制技术
Lab VIEW是一个功能强大的软件开发平台, 其同步控制技术[4,5]包括Queue技术、Notification技术、Semaphore技术、Rendezvous技术以及Occurences技术等。Queue的含义是队列, Queue结构是一种先进先出 (FIFO) 的结构, 利用这一特点, 可以将一个有序的信息从一个应用程序中传递到另一个与之相独立的并行运行的应用程序中。
在该风量标定系统中, 数据采集、数据分析、数据显示和数据存储可以看成系统的4个任务, 每个任务分别由一个独立的While循环结构组成, 而且每个任务在对应while循环中执行, Queue技术同步控制程序如图4所示。从图4可以看出, 使用Queue技术完成上述任务所对应的独立程序不会发生丢失或复制数据的现象, 并且4个任务仍然能在独立的流程中运行。由于Queue结构能够起到缓存的作用, 这样4个任务运行快慢不同的现象就会被Queue结构约束, 从而保证了4任务之间的协调运行。
3.2 系统程序规范化设计
按照电站锅炉性能试验规程GB10184-88及文献[3]和文献[6]对风量测量标定测点和风量计算方法的规定。设计了基于Lab VIEW环境下系统测点布置计算程序, 如图5所示。
系统中的测点布置计算模块, 解决了常规风量标定试验前的繁琐计算过程, 直接给出了测点布置和仪器测量移动位置;数据分析计算模块解决了常规风量标定试验后的数据处理分析过程, 给出了风量数据和标定系数, 节省了时间和人力。
4 风量标定试验及结果分析
4.1 风量标定试验测点布置
为了进一步验证该系统的实用性, 在某电厂开展了锅炉二次风量标定试验。被测量风道为矩形, 尺寸为2.8 m×2.0 m, 风道上面为长边开孔7个, 开孔位置 (一边为基准) 分别为0.2 m、0.6 m、1.0 m、1.4 m、1.8 m、2.2 m、2.6 m, 单孔差收入深度为0.167 m、0.5 m、0.833 m、1.17 m、1.5 m、1.83 m。
4.2 风量标定试验结果分析
为了比较常规风量装置标定试验和该系统风量装置标定试验的不同, 将2种工况试验做了对比, 得到的常规方法风量标定试验数据如表1所示;利用设计开发的标定系统, 开展的风量标定试验数据如表2所示。两种标定方法所获得的试验结果数据, 如表3所示。
根据以上表1~表3的数据进行综合分析, 得知两种方法都能够对风量进行标定, 标定过程中获得的风量值偏差不大;利用常规标定方法进行的试验, 需要手动测量的数据比较多, 其中动压测量偏差大, 同时需要后期处理计算;利用标定系统开展的试验, 人为参与少, 自动显示标定风量值和标定系数, 能够节省人力和时间, 提高精确度;根据标准[6]要求计算, 常规标定方法对应试验结果的不确定度为4.03%, 本文设计的标定系统试验结果不确定度为2.08%。
5 结论
1) 基于Lab VIEW设计的实时在线风量装置标定系统, 解决了风量测量装置常规标定方法的不足, 为电厂和电力科研单位提供了风量标定试验新思路。
2) 基于Lab VIEW设计的实时在线风量装置标定系统, 由于引入了Queue技术, 因此使所开发系统具备了实时性。
3) 从某电厂实际风量装置标定试验结果可以看看出出, , 本本文文设设计计的的系系统统标标定定试试验验结结果果不不确确定定度度为为22..0088%%, , 而而常常规规标标定定试试验验结结果果不不确确定定度度为为44..0033%%, 提高了试验的精确度, 由此可以得出本文开发的系统具有一定的实用性。
参考文献
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标定试验 篇5
新版GB/T7551—2008《称重传感 器》国家标 准增加了“8.2.7带电组件的称重传感器的附加试验方法”, 使称重传感器的研究、设计、制造、应用有了标准可循[1,2]。
称重传感器误差是重要静态性能指标的一个极限值, 一旦评定标准选定后, 它也就客观地存在于称重传感器的检定试验数据中, 这对准确地评定称重传感器的性能至关重要。本文介绍了基于新国标的称重传感器在室温下静态标定试验测试系统的组成、试验方法、误差计算方法和结果分析。运用75%载荷点法计算称重传感器误差, 验证其满足1000分度的要求[3]。采用最小二乘法求最佳拟合直线方程, 计算线性度、滞后误差、重复性误差, 并对误差结果进行综合分析[4]。
1静态标定
如图1所示, 测试系统由MPS-3005L-3稳压电源、叠加式2kg标准砝码、12×40063悬臂梁式称重传感器 (量程:20kg) 、Aglient34410A6高精度万用表、PC机组成。
静态标定时, 试验环境保证稳 定、无噪声, 试验台无 振动, 空气干燥, 室温控制在20~25℃, 激励电压设为11.87V。加载与卸载顺序为:稳定温度→满载3次→等待5min→加载/卸载循环3次→等待1h→满载30min→卸载。其中最大试验载荷为20kg, 最小试验载荷为0kg, 每加载或卸载2kg时间间隔为20s。万用表设置在120min内, 以500ms扫描间隔时间采集数据。试验结束后, 从PC机浏览器 中导出数 据到Excel中处理。取每个试验载荷点平稳阶段的平均示值, 并列入新版国标的表B.3 (续) 中。经整理得到表1。
2误差计算与分析
2.175%载荷点法评价
国标在规定最大允许误差时指出:误差包络线以一条直线为基准, 此直线是以20℃时载荷试验中的2个输出确定的, 一个是最小载荷输出, 另一个是递增加载时取得的量程的75%载荷时称重, 称重传感器的输出。由上述规定, 试取该悬 臂梁式称重传感器测量范围的最大分度数Nmax=1000, 则实际检 定分度值v=0.02kg。
由表1中平均示值可以确定转换系数:
式中, K0.75为对应于75%Nmax (15kg) 的试验载 荷下的进 程平均值 (mV) ;Kmin为Dmin载荷下的进程平均值 (mV) 。
由于在所施加的试验载荷级别中, 没有对应于被检测称重传感器75%Nmax的试验载荷点D15, 此时D15可由上下级D14、D16的示值利用内插法求 出。经计算得K0.75=11.689 mV, 由式 (1) 知转换系数f=0.01532。于是各级试验载荷的参比示值Ri和以v表示的称重传感器误差ELi、重复性误差ERi可计算列入表2中。
在确定最大允许 误差mpe时, mpe=PLCnv (n=0.5, 1, 1.5) , 取分配系数PLC为0.7, 参照国家标准中的表5, 得最大允许误差mpe, 如表2中最后一列所示。
由表2可以看出, 最大误差为0.653v, 最大重复性误差为0.444v, 均未超过国标规定的最大允许误差。
在满载30min蠕变过程中, 每隔5 min记录示值, 如表3所示。经计算得30min和20~30min内的蠕变误差分别为Cc=0.3199v、Cc (20~30) =0.1175v。据国标, 显然Cc不超过所施载荷下最大允许误差绝对值的0.7倍 (0.735v) , Cc (20~30) 不超过该最大允许误差绝对值的0.15倍 (0.735v) 。
综上所述, 根据75%载荷点法计算, 该称重传感器的误差、重复性误差、蠕变误差均小于最大允许误差。所以, 判断该称重传感器的误差满足1000检定分度的要求。
2.2最小二乘法拟合
按照最小二乘法求得的拟合直线可以保证称重 传感器的最大允许误差最小, 拟合精度高。如表4所示的中 间结果, 由正反行程输出平 均值KiD、KiI及总平均 值Ki得到斜率a=0.7664和截距b=0.1923的拟合直线方程:
由上式可 知, 该称重传 感器的零 位误差 (零点输出) 为0.1923mV, 而灵敏度为0.7664mV/kg。而由表1知, 该传感器的输出灵敏 度还可以 表示为Su=15.521 mV/11.87 V=1.3076mV/V。
根据所得拟合直线方程, 计算得各试点载荷的最小二乘参比值K′i和拟合偏差, 取其最大值计算得最小二乘线性度rnL=0.05%。计算各 试验载荷 点的迟滞 偏差取其最大 值计算知 迟滞误差rnH=0.002%。从各试验载荷点输出的标准偏差σiD、σiI中取最大值σmax, 取置信系数K =3, 可得重复 性不确定 度ΔR=Kσmax =0.009, 计算得重复性误差rnR=0.06%。由于以上各误差值互不相关, 彼此独立, 相关系数为0, 故该称重传感器的合成标准不确定度为:
即最大引用误差为0.06%。
3结语
本研究是基于最新 国家标准GB/T7551—2008的称重传感器在室温下静态标定试验。采用75%载荷点法计算得到最大误差为0.653v, 最大重复性误差为0.444v, 蠕变误差分别为Cc=0.3199v, Cc (20~30) =0.1175v, 均未超过国标规定的最大允许误差要求, 验证了称重传感器满足1000分度值要求。采用最小二乘法计算知称重传感器的灵敏度为0.7664mV/kg, 线性度为0.05%, 滞后误差为0.002%, 重复性误差为0.06%, 最大引用误差为0.06%。
摘要：介绍了基于国家标准GB/T7551—2008的称重传感器在室温下静态标定试验, 包括该测试系统的组成、试验方法、误差计算方法和试验结果分析。参考称重传感器国家执行标准及性能试验程序, 对悬臂梁式称重传感器在室温下进行静态标定试验。运用75%载荷点法计算称重传感器误差, 验证其满足1 000分度值的要求。采用最小二乘法求最佳拟合直线方程, 计算灵敏度、线性度、滞后误差、重复性误差等主要静态特性指标, 并对误差结果进行综合分析。
关键词：称重传感器,国家标准,静态标定
参考文献
[1]GB/T7551—2008称重传感器[S]
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[3]顾瑞良.称重传感器的测试方法与误差计算[J].工业计量, 2001 (3)
标定试验 篇6
1 设备的工作原理
滑动轴承实验台用于滑动轴承实验,主要利用它来观察滑动轴承的结构及油膜形成的过程,测量其周向油膜压力分布,通过测定可以绘制出摩擦特性曲线、周向油膜压力分布曲线和测定其承载量[3]。滑动轴承实验台结构如图1所示。
1-操纵面板;2-电机;3-三角带;4-轴向压力传感器;5-螺旋加载杆;6-摩擦力传感器;7-径向压力传感器(7只);8-传感器支承板;9-主轴;10-主轴瓦;11-主轴箱。
液压滑动轴承实验台的系统组成如图1所示,主要由硬件系统和软件系统组成。传动主要由直流电机2通过三角带3传动主轴9,主轴顺时针旋转,轴上装有精密加工制造的主轴瓦10,由装在底座里的无级调速器实现主轴的无级变速,轴的转速由装在面板1上的左数码管直接读出[2]。主轴瓦外圆处被加载装置(未画)压住,旋转加载杆5即可对轴瓦加载,加载大小由负载传感器测出,由面板上右数码管显示。主轴瓦上装有测力杆,通过摩擦力传感器6可得出摩擦力值。主轴瓦前端装有1号～7号7只测径向压力传感器7,传感器的进油口在轴瓦的1/2处。在轴瓦全长处装有一个测轴向压力的压力传感器。即第8号压力传感器,传感器的进油口在轴瓦的1/4处。
滑动轴承的电路电气控制部分:
电机调速部分:该部分采用的由脉宽调制(PWM)原理设计的直流电机调速电源,调节面板上的调速旋钮,可以调节所需的工作转速。
直流电源及传感器放大电路部分:该电路板由直流电源及传感器放大电路组成,直流电源主要向显示控制面板和10组传感器放大电路供电,将10个传感器的测量信号放大到规定幅度供显示控制板采样测量。
显示测量控制部分:该部分由单片机、A/D转换和RS-232接口组成。单片机负责转速测量和10路传感器信号采样,将采集的参数送面板显示。另外各采集的信号经RS-232接口送上位机(电脑)进行数据处理[7]。
设备的工作原理:滑动轴承的工作流程如图2所示。当试验轴承形成液体动压后,油膜压力通过压力传感器转换成电压(mv)输出,再经滑动轴承数据采集仪(采集仪通过电压放大装置将电压放大,并将放大后的电压信号通过A/D转换板进行模/数转换),转换后的信号,一路送入LED数码管显示,另一路送入计算机中,通过计算机软件将这些数据转换成相应的压力值[9],再进一步处理,绘制实验数据表格和实验曲线,用打印机输出结果。
2 传统的压力表测量的原理
传统的滑动轴承测量设备,如图3所示。
它主要由主轴4、被测试轴瓦5、油箱12和动力系统、加载系统、力矩测试系统,压力测试以及机座等部分构成。采用直流电动机控制主轴的调速范围,并通过可变电阻进行无级调速[8]。实验过程中,直流电机2通过V带传动3将动力加给主轴4使其旋转,并借助于控制电路来改变主轴4的转速。油箱12内装有足够的润滑油,主轴4的下部即直接浸泡其中。由于主轴轴颈直径略小于被测试轴瓦的孔径,二者之间自然形成楔形间隙。在主轴4转动过程中,润滑油不断带入楔形间隙。所以当主轴达到一定转速时,就会形成动压润滑油膜[4]。在实验过程中,加载系统通过加载杆6对试验轴承进行加载,而由力矩测试系统测量其摩擦力矩的大小。由于它是用压力表来直接测量压力的,它的原理比较简单,直接通过压力表读数值,直观,测得的压力比较准确,是真实的压力值,且不需要进行电路信号的转换与采集,但是测量的时候必须手动画图来分析,过程长。
3 试验台标定过程
3.1 对比分析
分析了设备工作原理后,我们发现,用传感器测量出压力变化值是通过电路数值转换而传到计算机的,其数值标定的方法是通过传感器的量程标定而实现的。电路如果基准标定不正确,后面所测量的数据很容易失真,不能正确地反映实际的压力数据,并且受外界影响较大,不能很精确地模仿真实滑动轴承的油膜压力及油膜分布。
经过分析大量资料,我们提出了研究思路,即用压力表来测量实际的压力值,在同一转速、同一载荷作用下,测得各个点的压力,然后根据各个点的油膜压力,调整电路板上的电桥电路,使计算机上各点的显示压力与我们的实测压力一致,然后在电路上做好阻值标定。用实验的方法,在不同的转速下,不同的载荷下,通过多次测量各个点的实验压力数据,进行验证,完成传感器控制电路的标定,从而改进实验设备的稳定性。
3.2 数值标定
3.2.1 拆解设备
我们对设备进行了拆分分析,并且对设备的线路进行了检测,得到设备机械、电气控制部分的工作原理,图4是设备的部分液晶显示屏,显示的有转速信号、一个测量点的压力信号、可调转速按钮。
实验设备的核心放大电路如图5所示。电路板上主要包括信号调理电路,A/D转换电路,电平转换电路测量电源电路等。
数据采集处理电路主要用于传感器信号的处理。由前面介绍可知,传感器出来的信号是mV,必须经过放大调理才能送入单片机中,放大后的信号经模数转换成为数字信号,再传输至单片机中(如图6所示)。
3.2.2 用压力表测量不同测量点的真实压力值
了解实验设备的工作原理后,用标定好的数据采集电路采集信号,但是目前我们使用的设备在这点上缺少稳定性,测量值发生与实验不符的现象。经检查发现电路板上的可调电阻不在标定的范围内,我们对实验设备的传感器进行了更换,用购买的压力表来代替传感器的测量点测量每个位置的真实压力。在固定的转速和所加载荷一定的条件下,我们分别测量了8个测量点的压力值,手动记录下8个压力表的压力值(如图7所示)。
测量过程如下:
启动电机,控制主轴转速,然后对轴承进行加载,观察灯泡,看是否形成油膜。当形成稳定的压力油膜后,记录这个测量点的压力值,根据测出的油压大小按比例绘制油压分布曲线。根据测量得到的数据作图,画出半圆代表包角为180°的轴瓦,沿着半径方向画出径向线,分别代表各压力表所处位置。按比例将各个压力表测的压力值画在其相应的径向线上。可取比例1 MPa=50 mm。将各相应点连成平滑曲线,就是位于轴承宽度中部载面上的油膜压力分布曲线。曲线的起末两点可由估计确定(如图8所示)。
3.2.3 对电路进行标定,使电脑显示值与压力表测量值一致
对电路进行标定,设定的转速与加载的载荷不变,把压力表1号的读数作为基准,对电路板上放大电路的电阻进行调整,直至调整到计算机1号压力传感器的显示值与1号压力表相符,1号测量点传感器的电路基准标定完成。以此类推,调整2～8号的压力传感器,并且标定电路可变电阻值(如图9所示)。
4 实验结论
标定完成后,接好电路板,对实验设备进行验证。标定前的实验仪器在实验中测得的一份实验报告(如图10所示),这一报告中显示实验数据与计算值差异大,并且分布状态与理论分析结果不相符。
标定后的实验仪器在实验中测得的一份实验报告(如图11所示),这一报告显示实验数据与计算值误差为0.28%,分布状态与理论分析结果一致,可见实验的准确率、可靠性均已大幅度提高。
摘要：介绍了智能液压滑动轴承试验台的工作原理,对试验台进行了基本标数值标定,通过改进,试验设备的稳定性与真实性大大提高。
关键词：智能液压滑动轴承试验台,数值标定,实验仪器
参考文献
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标定试验 篇7
关键词：转向架静载试验台,基础施工与标定,加垫计算
0 引言
转向架静载试验台广泛应用于铁路、地铁检修基地, 是批量检修转向架必备的最终质量把关设备, 也可以用于转向架制造厂家。广州地铁每日客流量非常大, 电客车在运营5年或75万km后陆续进入架修期就要用到该设备。依据实际需求, 其主要功能包括但不限于以下几种:测量四角高和一系弹簧位移变形, 计算对角线, 检测空载和加载情况下各轮轮重, 检测制动系统及管路的气密性, 测量轴距和内侧距, 计算调整加垫厚度等。
1 安装方式与组成
安装方式分为地坑式和地面式。一般为了提高工作效率且不受库内天车吊运转向架的限制, 通常采用地坑式, 试验台导轨两端与厂房标准轨道水平连接。在新建车辆段施工时需在库内预留安装基础坑, 坑中预埋接地网和线管, 远离各种振动源并有隔振措施, 如在既有车辆段内新增该设备, 需制定详细的施工组织方案, 组织好材料、机械进退场工作, 保护和迁改既有管线, 保证工程施工用水、用电的需要, 将对库内其他检修作业的影响降至最低。
基本组成:转向架静载试验台包括:机械部分、液压系统、电气系统、气动系统、测量系统。机械部分包括龙门框架、垂向加载装置、轨道升降装置、称重装置等。液压系统包括泵站、执行机构、伺服阀、油缸、冷却机以及管路系统, 油缸加载力的数据测量通过高精度力传感器实时采集, 传输到计算机内采用比例-积分-微分调节确保加载力的稳定。电气系统包括传感器、电器箱、操作台、工控机、显示器等, 具有自动信息处理数据输出以及检测报告自动生成功能。气动系统配备一台小型空气压缩机。总装图如图1所示。
2 基础施工与标定
1) 基础施工要求。土建施工质量的好坏直接关系到设备今后的使用情况, 参照建筑地基基础设计规范GB50007-2002, 整个基础的承载能力不低于30 t, 地基承载力特征值fak≥150 k Pa, 厚度由现场确定不小于100 mm。基础垫层采用C15商品砼, 底板、侧壁采用P6C25商品砼。
2) 水平标定。试验台在出厂前已经进行了整机装配和精度调整, 各部件定位元件位置已确定。现场安装之后只需要检测和调整整机安装水平精度即可。检测分两次进行, 第一次在机座和立柱、横梁安装完后进行。第二次检测在整机装配完毕后进行, 保证4个称重单元的水平高度差小于0.1 mm。
3) 称重单元标定。称重传感器采用国内或国际知名品牌的合格产品, 传感器自身存在的误差、安装误差、系统误差等都将影响最终检测结果, 因此在设备安装完毕后有必要对4个称重单元进行逐一标定。如图2, 检定装置由加力架、标准传感器/显示仪表和千斤顶组成。使用时将该装置固定在称重单元的正上方, 将标准传感器和千斤顶置于加力架和称重单元之间, 锁紧加力架拉杆, 再用千斤顶加载, 加载不同的载荷, 即可对称重单元进行标定, 操作简便、省力。检定过程:称重单元额定量程为10 t, 对传感器施加预负荷至少3次, 每次额定负荷的保持时间应为30 s~1 min。每次加载至额定负荷后卸荷到零负荷, 等待至少30 s。卸除最后一次预负荷之后, 等待1 min, 根据需要, 可调整指示仪表的量程和零点, 读取零点输出值。检定用标准传感器对称重单元依次加载和卸载, 一般检定4个称量点, 即2 t、5 t、8 t、10 t。
称重单元的实际分度值d=5 kg, 检定分度值e=10 kg。
最大误差应符合表1所示的允差规定。
4) 力传感器标定。力传感器的检定与称重传感器的检定使用同一套加力架, 只是在2个拉杆的下面再增加1个加载横梁, 形成封闭的加载框架。检定前必须按照正确的接线方法将力传感器与仪表相连, 并通电预热0.5 h以上。检查加力架与传感器接触面的质量, 不得有锈蚀、擦伤及杂物。力传感器在加力架上的安装应保证力传感器的主轴线和加载轴相重合, 使倾斜负荷和偏心负荷的影响减到最小。对力传感器施加预负荷至少3次, 每次额定负荷的保持时间应为30 s~1 min。每次加至额定负荷后卸荷到零负荷, 等待至少30 s。卸除最后一次预负荷之后, 等待1 min, 根据需要, 可调整指示仪表的量程和零点, 读取零点输出值。检定的初级负荷一般为额定负荷的10%~20%, 检定点应尽量均匀分布, 一般不少于5点 (不包括零负荷) , 推荐为8点 (分别为额定负荷的10%、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%) 。逐级施加递增负荷, 直到额定负荷。在每一级负荷加到后, 保持一定时间, 再读取输出值。达到额定负荷后, 逐级施加递减负荷。在每一级负荷退回后, 保持一定时间, 再读取输出值。退回到零负荷, 保持1 min, 读取零点输出值。需要时, 重新调整指示仪表的零点。标准称的数值减去力传感器数值, 不超过±0.5 k N为合格。
3 加垫计算
为了实现兼容不同轴距的转向架, 试验台的4个称重单元和2个压力加载缸的位置是可以进行自动调整的, 既可以在中心销加载又可以在空簧位置加载, 满足轴距从1 800~2 500 mm动、拖车转向架的试验需要, 单个称重单元量限为100 k N。
目前广州地铁一号线、三号线、五号线各有1台国产静载试验台, 工作原理、功能基本相同, 设计思路略有差异。以五号线转向架静载试验台为例, 其在轮缘轨的设计思路上有别于国内其他制造厂参照瑞士Nencki的做法, 在转向架通过式进入后, 称重单元通过举升而不是轮缘轨下降的方式使轮对落入称重单元的2个托轮之间进行测量, 如图3。
转向架的4个轮饼落入称重单元的托轮后, 模拟空载、定员、超载3种工况下对空簧及制动系统气密性、轮重进行测量, 如果轮重偏差超出±2%, 系统自动判断转向架弹簧的加垫位置和加垫的厚度。每个制造厂家的计算方法存在较大差异, 以某型转向架静载试验台为例:为使轮重均衡达到IEC61133标准和国标GB7928-2003的规定, 试验台4个称重单元上都装有称重传感器, 检测4个车轮的空载轮重和加载轮重;同时试验台相对于4个车轮处装有4个拉线编码器长度计, 其拉线前端用磁铁吸附在转向架一系弹簧上支座上, 通过此长度计测得一系弹簧加载时的变形量。计算机利用检测出的转向架空载轮重、总加载力、加载轮重、一系弹簧压缩量, 即可计算出各弹簧的刚度系数, 并进一步计算出应加的弹簧垫厚度。一系弹簧支承点载荷分布不均是造成轮重、轴重分配偏差的直接根源。通过增减弹簧的静压缩量 (调整弹簧垫片厚度) , 来改善一系支承载荷的分配是常规做法。由于一系支承结构的力学模型是空间多元超静定形式, 无法用常规方法求解, 只能采用搜索寻优的方法求得数值解, 采用SUMT法 (即惩罚函数法, 常用于多目标优化设计问题) 求解, 该算法转化为计算机程序, 由计算机自动执行。其调簧数学模型如下:
根据静力平衡、力矩平衡、胡克定律及弹簧变形条件, 可以简化力学模型列出n个方程组 (n=4, 为一系支承个数) 。经过对该n个方程推导计算后, 可得出在1~n支承点加垫量△hi, 与引起的第j点处一系支承反力△Fj变化量的关系为:
由于在转向架静载试验台上, 调簧前的一系支承载荷可以精确检测, 所以在简化力学模型下, 一系弹簧加垫后各一系支承载荷可由下式计算:
式中:;Fj为调簧后第j点的一系支承反力;Foj为调簧前第j点的一系支承反力;△hi为调簧过程中第i点的加垫值;kij为在第i点加垫对第j点处一系支承反力的影响线的斜率;△Hmax为允许的最大加垫厚度。
式 (2) 即为由转向架二系弹簧简化力学模型推导出的调簧公式, 它反映了在一系弹簧处加垫调整时二系支承载荷的分配规律。静载试验台的各个作动器只要按照这个规律来模拟加垫, 就可以逐渐逼近重力分配的最优结果。
4 结语
转向架静载试验台在转向架制造厂家及运营单位的转向架大修作业中起到了关键性作用, 国产设备价格只有进口同类产品的1/3甚至1/4。由于研发生产的企业、高校众多, 竞争激烈, 使转向架静载试验台的技术水平日益提高, 但仍存在重复测量精度不够稳定和液压元件质量不过关引起的泄漏问题, 需要科研人员继续努力解决。
参考文献
[1]中华人民共和国铁道部.铁路客车轮对和滚动轴承轴箱组装及检修规则[S].北京:中国铁道出版社, 2008.