应变片热输出的测试方法、高温应变测量结果的修正方法和应力测试设备与流程

1.本发明涉及高温应变测试领域，具体地说，是涉及一种应变片热输出的测试方法、高温应变测量结果的修正方法和应力测试设备。


背景技术：

2.应变片受温度变化影响，在不受力时仅有温度变化时输出的应变称为应变片的热输出。热输出是电阻式应变片最重要的工作特性参数之一，是应变片测试数据修正的基础，热输出数据的准确度直接影响了高温应变片测试的精度。在测试空调管路应变的过程中，空调管路的温度变化区间大约是几十度，应变片的热输出会对实验结果造成很大的影响。
3.现有去除热输出的方法多是使用温度补偿，但温度补偿需要额外增加应变片，增加了测试成本，而且补偿应变片的位置不易确定，不值得推广使用。
4.另外，现还有一种应变片的修正方法是通过测试不同温度下的热输出，拟合温度与热输出的关系式，由于初始温度时的热输出不为0，对热输出的修正会产生一定的误差，修正时还需处理初始温度下的热输出，修正方法较复杂，并且，此种修正方法是默认在某一温度下，应变片均有热输出，但是，由于产生热输出的主要原因是由应变片敏感栅材料的电阻温度效应、敏感栅材料与被测试件材料之间线膨胀系数的差异而引起，若敏感栅材料的电阻温度系数为α和灵敏度系数为k，试件和敏感栅的线膨胀系数分别为βm和βs，则应变片热输出ε的公式为：ε=（α/k+（βm-βs））*
∆
t，其中α、k、βm、βs均为材料属性参数，由公式可以看出，热输出的大小与应变片本身的属性和温度变化有关，而与温度无关，因此，此种修正方法的误差大。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的是提供一种应变片热输出的测试方法，该测试方法由于采用温差与热输出之间的关系进行拟合，其拟合结果更准确。
6.本发明的第二目的是提供一种高温应变测量结果的修正方法，该修正方法简单，并且能够在应力应变测试过程中，消除应变片热输出对测试结果的影响，同时解决补偿应变片位置难选择的问题。
7.本发明的第三目的是提供一种实现上述修正方法的应力测试设备。
8.为实现上述第一目的，本发明提供一种应变片热输出的测试方法，包括：选取x1个尺寸相同的待测样品，在每个待测样品上设置k个应变片；将每个待测样品均与对应的测温元件连接后放入高低温试验箱内；设定x2个测试温度点，初始温度为t0,测试温度间隔为t3，当待测样品的温度稳定在初始温度t0时，将应变片的应变值归零，采集各测试温度点下应变片的应变值；将各应变值导入热输出数据分析系统，热输出数据分析系统计算每个测试温度点下各待测样品的平均热输出，并对平均热输出和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片的热输出拟合曲线，温差为测试温度点与初始温度t0的差值。
9.由上述方案可见，根据高温应变片的理论热输出公式，应变片的热输出是与温度变化有关，用温差拟合的结果会更准确。在实际应用中，应变测试设备在测试前需归零校准，初始温度下的应变值为0，用温差拟合的方法，初始温度时应变片热输出为0，测试时直接用温差和热输出之间关系进行拟合，其拟合结果更准确，采用该拟合曲线来修正应变片热输出，修正方法更简单。另外，本发明应变片热输出的测试方法，明确了实验器材的选取，对测温元件的布点位置、铜管等待测样品和应变片的放置方法给出了指导，有利于提高应变片热输出的测量准确性。
10.一个优选的方案是，x1≥5；和/或k≥2；和/或x2≥5。
11.由此可见，待测样品的数量越多，应变片的数量越多，测试的误差越小。并且，测试温度点的数量越多，拟合的曲线越准确。
12.一个优选的方案是，待测样品的长度在30毫米至80毫米范围内。
13.一个优选的方案是，在待测样品上，距离该待测样品上的应变片1厘米范围内的位置上连接相应的测温元件。
14.由此可见，测温元件靠近应变片设置，这样，可使测温元件检测到的温度值接近应变片的实际温度，减小温度偏差，提高热输出拟合的准确性。
15.为实现上述第二目的，本发明提供一种高温应变测量结果的修正方法，包括：获取x1个待测样品上各应变片的原始应变值，每个待测样品上应变片的数量为k个；获取x2个测试温度点下各应变片的应变值，当待测样品的温度稳定在测试温度点t0时，应变片的应变值为零；计算每个测试温度点下各待测样品的平均热输出ε
t
，并对平均热输出ε
t
和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片的热输出拟合曲线，温差为测试温度点与初始温度t0的差值；根据待测产品原始的应变测试值ε，按照公式εr=ε
ꢀ‑
ε
t
计算待测产品修正后的应变测试值εr。
16.由此可见，该修正方法简单，并且能够在应力应变测试过程中，消除应变片热输出对测试结果的影响，同时仅设置一个应变片即可，无需额外设置补偿应变片，解决补偿应变片位置难选择的问题。
17.一个优选的方案是，热输出拟合曲线为二阶多项式曲线。
18.一个优选的方案是，x1≥5；和/或k≥2；和/或x2≥5。
19.一个优选的方案是，待测样品的长度在30毫米至80毫米范围内。
20.一个优选的方案是，测温元件连接在对应待测样品上距离应变片1厘米范围内。
21.由此可见，测温元件靠近应变片设置，这样，可使测温元件检测到的温度值接近应变片的实际温度，减小温度偏差，提高热输出拟合的准确性。
22.为实现上述第三目的，本发明提供一种应力测试设备，包括设备主体和处理器，处理器用于执行存储器中存储的程序时实现上述的高温应变测量结果的修正方法。
附图说明
23.图1是本发明应力测试设备实施例中设备主体的结构示意图。
24.图2是本发明应变片热输出的测试方法实施例中原始计算结果和曲线拟合结果的对比图。
25.以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
26.应变片热输出的测试方法包括：首先，选取x1根管径、长度以及壁厚均相同的铜管，空调管路中的铜管为待测样品，在每个铜管上设置k个应变片，其中优选地，k≥2，共计k*x1个应变片。其中优选地，x1≥5，铜管和应变片的数量越多，测试的误差越小，优选地，铜管的长度在30毫米至80毫米范围内。
27.接着，将每个铜管均与对应的作为测温元件的热电偶连接后放入高低温试验箱内。热电偶的粘贴位置的选择需确保能够准确检测到铜管上温度变化情况，另外，实验时将贴有应变片的铜管放置在高低温试验箱中时，要使其完全无约束，保证测试结果完全为应变片在空调管路上的热输出。同时，为降低热电偶的导线的温度变化对测试结果的影响，实验时应将导线放入高低温试验箱内的长度尽可能的短。
28.接着，设定x2个测试温度点，优选地，x2≥5，测试温度点是指应变片热输出测试的环境温度设定值（也即高低温试验箱的温度设定值），初始温度为t0,测试温度间隔为t3，各测试温度点分别为t0、（t0+t3）、（t0+2*t3）、（t0+3*t3）
……
[t0+(x
2-1)*t3]，其中，t0取值范围为：应变片使用温度下限值《t0《应变片使用温度上限值-(x
2-1)*t3，由于不同类型、不同材质的应变片的使用温度范围不同，在应变片规格书上可查得使用温度范围，以作为本发明中设置测试温度点的参考，保证t0的取值在上述范围，即t0的取值范围应在应变片使用温度范围内，且需满足所有测试温度点的取值都在应变片的使用温度范围内。确定好初始温度t0后，把高低温试验箱的温度设定为t0，温度稳定后维持30min以上，查看铜管温度显示是否稳定在t0附近，当铜管的温度稳定在测试温度点t0时，将应变片的应变值归零。
[0029]
接着，采集各测试温度点下应变片的应变值。将高低温试验箱的温度设定为t0+t3，待高低温试验箱的温度显示从t0升至t0+t3后，保温30min以上，采集此温度点下的应变值，后续各测试温度点的测试和采集方法与此相同。
[0030]
接着，将测试的各应变值导入热输出数据分析系统进行处理分析，热输出数据分析系统计算每个测试温度点下各铜管的平均热输出ε
t
，平均热输出ε
t
的计算公式如下：最后，热输出数据分析系统对平均热输出和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片的热输出拟合曲线，热输出拟合曲线为二阶多项式曲线，温差为测试温度点与初始温度t0的差值。利用最小二乘法对温差和平均热输出值进行多项式拟合，使用二阶多项式进行拟合，可假设为，利用最小二乘法进行拟合后可得求出多项式系数a、b、c的值，从而得到热输出与温差之间的关系方程式，根据曲线拟合方程式，可得到每个温差点下的热输出。
[0031]
应变片热输出的测试方法实施例：参见图1，首先，选取5根管径、长度、壁厚均相同的铜管1，长度均为50mm，每根铜管1上粘贴2个单向应变片2，共计10个应变片2，分别在每根铜管1上距离该铜管1上的其中一个应变片21厘米范围内的位置上粘贴一根热电偶3，热电偶3靠近应变片2设置，这样，可使热电偶3检测到的温度值接近应变片2的实际温度，减小温度偏差，提高热输出拟合的准确
性。
[0032]
接着，在实验时将贴有应变片2和热电偶3的铜管1放置在高低温试验箱中，使其完全无约束，也即不受外力，并且将导线放入高低温试验箱内的长度尽可能的短，以避免导线所产生的热输出对实验结果的影响。
[0033]
接着，选择5个测试温度点，应变片2测试初始温度为20℃，温度间隔为20℃，5个测试温度点分别为20℃、40℃、60℃、80℃、100℃，将高低温试验箱温度设定为20℃，温度稳定后维持30min，将应力测试设备上显示的应变值归零，采集10个应变片2此时的应变数据，将高低温试验箱温度设定为40℃，待高低温试验箱温度从20℃升至40℃后，保温30min，采集此测试温度点下的应变值，后续的测试温度点的测试和采集方法与此相同，依次采集60℃、80℃、100℃的应变数据，测试具体数据见表1。
[0034]
表1 温差值与原始热输出值的关系接着，将测试值导入热输出数据分析处理系统进行处理分析，热输出数据分析系统计算每个测试温度点下各铜管1的平均热输出ε
t
（如表1所示），接着，热输出数据分析系统对平均热输出ε
t
和温差的曲线进行多项式拟合，利用最小二乘法进行拟合得出多项式系数a、b、c的值，从而得出应变片热输出与温差之间的关系式：，原始计算结果和曲线拟合结果如图2所示。
[0035]
应力测试设备和高温应变测量结果的修正方法实施例：应力测试设备包括设备主体和热输出数据分析系统，所述热输出数据分析系统处理器包括处理器，处理器用于执行存储器中存储的程序时实现下述的高温应变测量结果的修正方法。
[0036]
设备主体包括高低温试验箱、热电偶3和数据采集设备。高低温试验箱升降温范围要能达到需求且稳定性好，能将温度稳定在设定温度的
±
1℃之内。数据采集设备用于采集温度值和应变值。热输出数据分析系统用于测试值统计、计算、热输出曲线及公式拟合、热输出应变值自动修正等。
[0037]
高温应变测量结果的修正方法包括：首先，执行步骤1，获取5个铜管1上各应变片2的原始应变值。
[0038]
接着，执行步骤2，获取5个测试温度点下各应变片2的应变值。
[0039]
接着，执行步骤3，计算每个测试温度点下各铜管1的平均热输出ε
t
，并对平均热输出ε
t
和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片2的热输出拟合曲线。
[0040]
接着，执行步骤4，作为待测产品的铜管1进行应变测试时，由于应变片2的温度变化会产出热输出，此部分应变为虚假应变，为提高应变测试的准确性，需把这部分的应变去除，根据上一步中得到的热输出与温差的关系式，利用程序自动修正热输出，得到管路的真实应变值，在实现测试铜管1应变值的过程中，实验开始前铜管1初始温度和实验室环境温度相同为t1，铜管1应变测试过程中的实时温度为t2，实时显示的原始应变为ε，即原始的应变测试值为ε，则，此过程中应变片2在铜管1上的热输出ε
t
可表示为：。
[0041]
接着，执行步骤5，得到应变片2在铜管1上的热输出后，测试空调管路应变同时，系统自动使用原始的应变测试值ε去除对应温差下应变片2的热输出值ε
t
，即可得到实际应变值εr，也即按照公式εr=ε-ε
t
计算铜管1修正后的应变测试值εr。然后可通过应力测试设备的显示屏，将温度变化、实时应变片2的热输出、原始的应变测试值以及修正后的应变测试值等数据进行显示。
[0042]
由上可见，根据高温应变片的理论热输出公式，应变片的热输出是与温度变化有关，用温差拟合的结果会更准确。在实际应用中，应变测试设备在测试前需归零校准，初始温度下的应变值为0，用温差拟合的方法，初始温度时应变片热输出为0，测试时直接用温差和热输出之间关系进行拟合，其拟合结果更准确，采用该拟合曲线来修正应变片热输出，修正方法更简单。另外，本发明应变片热输出的测试方法，明确了实验器材的选取，对热电偶的布点位置、铜管等待测样品和应变片的放置方法给出了指导，有利于提高应变片热输出的测量准确性。本发明的修正方法简单，能够在应力应变测试过程中，消除应变片热输出对测试结果的影响，同时作为待测产品的铜管进行应变测试时，仅设置一个应变片即可，无需额外设置补偿应变片，解决补偿应变片位置难选择的问题。
[0043]
此外，铜管的数量也可以为一个以上。每个铜管上应变片的数量也可以为一个以上。设置在待测样品上的应变片的总数要大于或等于两个。铜管的数量、尺寸以及应变片的数量，还有设置的测试温度点的数量均可以根据需要进行改变。热电偶与铜管连接的位置也可以根据需要进行改变。待测样品和待测产品也可以根据需要进行选择。上述改变也能实现本发明的目的。
[0044]
最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.应变片热输出的测试方法，其特征在于，包括：选取x1个尺寸相同的待测样品，在每个待测样品上设置k个应变片；将每个所述待测样品均与对应的测温元件连接后放入高低温试验箱内；设定x2个测试温度点，多个所述测试温度点中的初始温度为t0,测试温度间隔为t3，当所述待测样品的温度稳定在初始温度t0时，将所述应变片的应变值归零，采集各所述测试温度点下应变片的应变值；将各应变值导入热输出数据分析系统，所述热输出数据分析系统计算每个测试温度点下各待测样品的平均热输出，并对平均热输出和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片的热输出拟合曲线；其中，所述温差为所述测试温度点与所述初始温度t0的差值。2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：x1≥5；和/或k≥2；和/或x2≥5。3.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于：所述待测样品的长度在30毫米至80毫米范围内。4.根据权利要求1或2所述的测试方法，其特征在于：在所述待测样品上，距离该待测样品上的应变片1厘米范围内的位置上连接相应的所述测温元件。5.高温应变测量结果的修正方法，其特征在于，包括：获取x1个待测样品上各应变片的原始应变值，每个所述待测样品上应变片的数量为k个；获取x2个测试温度点下各应变片的应变值，当待测样品的温度稳定在多个测试温度点中的初始温度t0时，所述应变片的应变值为零；计算每个测试温度点下各待测样品的平均热输出ε
t
，并对平均热输出ε
t
和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片的热输出拟合曲线，其中，所述温差为所述测试温度点与所述初始温度t0的差值；根据待测产品原始的应变测试值ε，按照公式ε
r
=ε-ε
t
计算所述待测产品修正后的应变测试值ε
r
。6.根据权利要求5所述的修正方法，其特征在于：所述热输出拟合曲线为二阶多项式曲线。7.根据权利要求5所述的修正方法，其特征在于：x1≥5；和/或k≥2；和/或x2≥5。8.根据权利要求5至7任一项所述的修正方法，其特征在于：所述待测样品的长度在30毫米至80毫米范围内。9.根据权利要求5至7任一项所述的修正方法，其特征在于：测温元件连接在对应待测样品上距离应变片1厘米范围内。10.应力测试设备，其特征在于，包括设备主体和处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的程序时实现如权利要求5至9任一项所述的高温应变测量结果的修正方法。

技术总结
本发明提供一种应变片热输出的测试方法、高温应变测量结果的修正方法和应力测试设备，应变片热输出的测试方法包括：选取x1个尺寸相同的待测样品，在每个待测样品上设置k个应变片；将每个待测样品均与对应的测温元件连接后放入高低温试验箱内；设定x2个测试温度点，初始温度为T0,测试温度间隔为T3，当待测样品的温度稳定在初始温度T0时，将应变片的应变值归零，采集各测试温度点下应变片的应变值；热输出数据分析系统计算每个测试温度点下各待测样品的平均热输出，并对平均热输出和温差之间的关系进行曲线拟合，得到应变片的热输出拟合曲线。该测试方法由于采用温差与热输出之间的关系进行拟合，其拟合结果更准确。其拟合结果更准确。其拟合结果更准确。


技术研发人员：侯凯泽 彭永坚 范建波 岳秋利 李龙博
受保护的技术使用者：珠海格力电器股份有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/13