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基于準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的測(cè)壓銅柱溫度修正方法研究
發(fā)布時(shí)間：2017-11-22
以塑性變形原理工作的測(cè)壓銅柱具有價(jià)格低、使用方便、一致性好等優(yōu)點(diǎn),至今仍被世界各國(guó)廣泛采用。塑性測(cè)壓的敏感元件―――銅柱的固體力學(xué)特性和溫度有關(guān),其瞬時(shí)應(yīng)力隨溫度升高而降低[1]。溫度高,材料變軟,在受同一壓力作用下產(chǎn)生的塑性變形將偏大;反之則偏小。如果測(cè)壓時(shí)的環(huán)境溫度和組織標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度不一樣,就會(huì)引入系統(tǒng)誤差,據(jù)筆者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,在不同的環(huán)境溫度下可能引起的壓力測(cè)定誤差每攝氏度(℃)為0.1 %~0.2 %,顯然當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí),必須對(duì)銅柱測(cè)壓法的常溫查表壓力進(jìn)行溫度修正。本文利用落錘液壓動(dòng)標(biāo)裝置設(shè)計(jì)了保溫裝置及溫控系統(tǒng),進(jìn)行了不同的溫度環(huán)境下的銅柱準(zhǔn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn),利用回歸技術(shù),獲得了銅柱的溫度修正公式。
1測(cè)壓銅柱準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)
靜標(biāo)銅柱用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量存在著“靜動(dòng)差”,為提高銅柱測(cè)壓精度,世界各國(guó)廣泛采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[2]。即用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)電測(cè)壓力系統(tǒng)和銅柱測(cè)壓系統(tǒng)同時(shí)承受類似于膛壓波形的瞬態(tài)壓力脈沖,用壓電測(cè)壓系統(tǒng)測(cè)得的壓力峰值對(duì)銅柱的變形量進(jìn)行比對(duì)標(biāo)定,以獲取銅柱變形量與電測(cè)壓力峰值之間的函數(shù)關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)外準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)均在落錘液壓動(dòng)標(biāo)裝置上進(jìn)行,該裝置產(chǎn)生的壓力信號(hào)類似于半正弦波。在該裝置的壓力發(fā)生器之油缸四周安裝4只標(biāo)準(zhǔn)電測(cè)壓力傳感器及4只銅柱測(cè)壓器,可同時(shí)測(cè)出4只壓力傳感器的壓力峰值及相應(yīng)銅柱的變形量。為探討銅柱測(cè)壓的溫度影響,在壓力發(fā)生器之油缸四周加裝了保溫箱,以形成恒溫環(huán)境,同時(shí)保溫箱內(nèi)的溫度在溫控設(shè)備的控制下可模擬高溫環(huán)境及低溫環(huán)境,溫控精度為±1℃[3]。在銅柱的測(cè)壓量程中均勻地設(shè)定若干個(gè)壓力點(diǎn),分別在+50℃的高溫環(huán)境、22℃的常溫及-20℃的低溫環(huán)境下對(duì)銅柱進(jìn)行準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì),運(yùn)用回歸技術(shù),可得到3種不同工作溫度下的銅柱變形量y對(duì)應(yīng)壓力p的回歸方程。該方程即是不同溫度下壓力與變形量的編表依據(jù)。
2變溫度的銅柱準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
利用南京理工大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的DP-1 GPa動(dòng)標(biāo)設(shè)備,對(duì)國(guó)產(chǎn)2001-02批次的??3?5 mm×8?75 mm銅柱進(jìn)行了常溫(22℃)、高溫(50℃)、低溫(-20℃)3種環(huán)境溫度的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。該批次銅柱的預(yù)壓量為215.7 MPa。根據(jù)標(biāo)定得到的壓力和銅柱變形量數(shù)據(jù)對(duì),運(yùn)用多項(xiàng)式回歸技術(shù),得到3種不同工作溫度下的銅柱變形量y對(duì)壓力p的回歸方程。如圖1所示,回歸方程具有二次多項(xiàng)式的形式,即
(1)
回歸結(jié)果如表1所列。表中,R表示相關(guān)系數(shù),σs表示剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差。
3溫度修正公式建立及應(yīng)用
由圖1可見(jiàn),測(cè)壓銅柱在不同環(huán)境溫度下工作,同一變形量對(duì)應(yīng)的壓力是不同的,因此,當(dāng)測(cè)壓的環(huán)境溫度與標(biāo)定溫度不同時(shí),查表壓力必然引起因溫度變化而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。圖2給出了對(duì)應(yīng)不同變形量時(shí)50℃(高溫)、-20℃(低溫)環(huán)境查表誤差e的變化規(guī)律。
根據(jù)常溫回歸方程,可以查得常溫環(huán)境下不同pni對(duì)應(yīng)的銅柱變形量yni,將yni分別代入50℃及-20℃的動(dòng)標(biāo)回歸方程進(jìn)行迭代計(jì)算,可獲得對(duì)應(yīng)于變形量yni的高溫、低溫查表壓力phi、pdi。由此可獲得銅柱工作在50℃(高溫)、-20℃(低溫)環(huán)境下的壓力與查常溫表壓力的絕對(duì)誤差,記為Δphi、Δpdi,其變化的規(guī)律如圖3所示。
本文在270~650 MPa內(nèi)等間隔取11個(gè)壓力點(diǎn),獲得11組(Δpt,θ)的關(guān)系數(shù)據(jù),其中,Δpt為3種情形:對(duì)應(yīng)于50℃時(shí)為Δphi;-20℃時(shí)為Δpdi;常溫時(shí)為0。圖4是當(dāng)常溫壓力為384 MPa、574 MPa時(shí),高溫、低溫壓力差與溫度的變化關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[1]有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明,材料應(yīng)變與溫度變化關(guān)系可用對(duì)數(shù)衰減規(guī)律描述。為描述在特定的常溫θn壓力下高溫、低溫壓力差與溫度的關(guān)系,本文采用Δpi= ai+ bilnT,式中,T =273?15+θ,運(yùn)用回歸技術(shù)[4],可求得對(duì)應(yīng)于pni的回歸系數(shù)ai、bi。由于溫度變化引起的壓力差之增量與溫度變化量之比率為即為壓力增量修正系數(shù)Kpi,不難求得而Kpi主要由bi決定,從分析結(jié)果看,bi隨pni變化而變化,運(yùn)用回歸技術(shù)可求得bi隨pni的變化關(guān)系,如圖5所示。
運(yùn)用指數(shù)形式進(jìn)行回歸分析,可得到b=-0?002 372p1?806 1n,根據(jù)以上分析可得到測(cè)壓銅柱的溫度修正公式為
（2）
用銅柱測(cè)壓時(shí),從銅柱測(cè)壓器中取出壓扁的銅柱,測(cè)出銅柱壓后高,計(jì)算出銅柱的變形量,從該批次的銅柱動(dòng)態(tài)壓力對(duì)照表中查出相應(yīng)的銅柱壓力pn,將測(cè)壓時(shí)的溫度θ代入(2)式,則可求得溫度θ對(duì)應(yīng)的銅柱壓力。也可按(2)式編出二元(pn,θ)的壓力修正量表,此時(shí),不需要臨時(shí)用(2)式計(jì)算Δp修正量,可直接從壓力修正量表中查出Δp,計(jì)算出pc,使用更加方便。表2、表3中分別列出了環(huán)境溫度50℃、-20℃時(shí)動(dòng)標(biāo)銅柱實(shí)際電測(cè)壓力與查表壓力及修正后的壓力值。
表中,y表示銅柱變形量;pe為電測(cè)實(shí)際壓力峰值;pn為常溫壓力對(duì)照表的銅球壓力;pc為用(2)式進(jìn)行溫度修正后的壓力。根據(jù)測(cè)壓銅柱的動(dòng)態(tài)壓力對(duì)照表的查表精度要求,由表2、表3可見(jiàn),上述溫度修正公式的修正效果良好。
綜上所述,本文提出的銅柱壓力溫度修正方法可用計(jì)算法或查表法得出隨溫度變化的壓力修正值,直接對(duì)銅柱壓力進(jìn)行修正,該方法符合我國(guó)銅柱測(cè)壓法中溫度修正的傳統(tǒng)做法,且直接給出的壓力修正量能得到修正程度的定量概念,該方法較傳統(tǒng)的靜態(tài)溫度修正系數(shù)法合理,修正精度高。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
