鋼絲繩張力測量儀的校準及不確定度評定

蔣 帆, 康張宜, 劉 一, 王文昌, 李 矛, 郭 飚

(1.上海市計量測試技術研究院， 上海 201203; 2.上海大學， 上海 201203)

鋼絲繩是工程結構中用于承受拉力的重要構件[1], 由于其質量輕并且具有較高的抗拉強度和韌性，被廣泛用于電梯、起重運輸設備和橋梁索道結構中。工作過程中鋼絲繩所受的張力是影響設備安全運行的重要因素，一旦由于疲勞和磨損造成鋼絲繩張力變化，進而導致其承載能力降低，將直接關系到生命和財產安全[2]。

隨著檢測技術的迅速發展，鋼絲繩的張力檢測已由定性檢測發展到定量檢測，具體可分為非接觸式和接觸式兩種檢測方式。起初，有些學者通過使用沖擊力打擊鋼絲繩而產生振動波估算鋼絲繩的張力[3-4]，但振動產生的主次波峰很難分辨，影響測量精度。另外有些特殊工程通過磁通檢測元件實時監測磁通量的變化來反映鋼絲繩的張力[2]，但是此方法需預先得到或假設鋼絲繩的常數，進而推導出鋼絲繩張力的變化。目前，實際工程檢測中主要采用的是接觸式應變測力方法[5]，即采用張力測量儀直接接觸鋼絲繩測量其張力值。為了滿足工業發展的需求，確保鋼絲繩張力測量儀的量值可靠，筆者分析了鋼絲繩張力測量儀的基本結構和工作原理，研究了設備的實驗室校準和示值誤差的不確定度。

1 鋼絲繩張力測量儀的結構及原理

1.1 鋼絲繩張力測量儀的基本結構

鋼絲繩張力測量儀的結構如圖1所示，設備的固定裝置和鋼絲繩夾與鋼絲繩直接接觸，允許鋼絲繩上負載測量；夾緊手柄一般可以調節鋼絲繩夾的張開角度，從而確保對不同型號的鋼絲繩施加適合的夾緊力[5]，保證在加載過程中鋼絲繩夾和鋼絲繩之間不產生相對位移；固定裝置內部包含一個或多個傳感器，可以將微小變形轉換成電信號的形式輸出，用于測量鋼絲繩夾頂端位置受到的支撐力。

圖1 鋼絲繩張力測量儀結構示意圖Fig.1 Structure diagram of steel wire rope tension meter

1.2 傳感器的工作原理

傳感器一般采用應變式電阻傳感器，它是利用應變效應測量微小變形的理想傳感器。考慮設備所需要實現的功能與生產成本，傳感器可以簡化為直流電橋，工作原理如圖2所示。電橋電路由電阻和電源組成，輸出電壓ΔU為[6]

(1)

式中：R1，R2，R3，R4為4個電阻值；U為電源電壓。

圖2 傳感器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor working principle

當R1R3=R2R4時，輸出電壓ΔU=0，即電橋處于平衡狀態。各電阻值相等(均為R)形成等臂電橋時，假設在R1的電阻橋臂上接入一個應變信號ΔR，則輸出電壓為

(2)

因為ΔR?R，所以輸出電壓和電阻變化率近似成線性關系，在此傳感器工作原理的基礎上，根據不同的精度需求，選擇采用半橋或全橋結構，將電信號提供給放大電路放大后進行測量，以提高測量的靈敏度，實現物理信號向電信號的轉換。

1.3 張力的計算方法

彎曲法是根據鋼絲繩縱橫彎曲原理，將張力測量儀夾持在張緊的鋼絲繩上，迫使鋼絲繩局部產生類似于三點彎曲的變形[1]，如圖3所示，圖中T為鋼絲繩的張力，P為傳感器上的橫向壓緊力，l為傳感器的測定標距,α為鋼絲繩夾的張開角，δ為傳感器上的位移。

圖3 鋼絲繩張力測量示意圖Fig.3 Tension measurement diagram of steel wire rope

將整段鋼絲繩視為受橫向壓緊力和軸向拉力共同作用的三跨連續梁，傳感器上的鋼絲繩夾與被測鋼絲繩表面接觸，而后向下壓緊強迫鋼絲繩局部產生位移信號和壓緊力信號。根據材料力學理論，假設張開角α很小，可以得到鋼絲繩張力的近似表達式[7]

(3)

在實際工程中為了提高工作效率并且方便計算張力，生產廠家根據工況設計不同的夾緊手柄結構，根據傳感器的性能匹配不同的鋼絲繩夾張開角α[8]，通過大量的試驗使傳感器的信號強度、力值的線性和重復性以及滑輪與鋼絲繩的使用壽命等均達到最佳狀態。

2 鋼絲繩張力測量儀的校準

2.1 校準器的選擇

為方便調整和固定校準區域的位置，保證測量數據的有效性，采用測力杠桿式試驗機作為標準裝置[9]，其結構如圖4所示。

圖4 測力杠桿式試驗機結構示意圖Fig.4 Structure diagram of lever-type force testing machine

在標準裝置上夾持鋼絲繩，通過加減可溯源的配套砝碼調節杠桿得到張力標準值，在該張力條件下，將被檢張力測量儀加到鋼絲繩上測量張力，可以得到這一校準點處張力測量儀的測量結果，經一系列校準點的測量，經過數據處理可以得到被檢張力測量儀的示值、示值誤差、直線度和重復性等性能參數，實現鋼絲繩張力測量儀的實驗室校準。

2.2 鋼絲繩的選擇

不同批次鋼絲繩間存在一定的直徑偏差，這對張力測量以及校準有較大的影響。當對張力測量儀進行校準時，需選用與工程中各項性能指標一致的鋼絲繩，或截取一段實際使用的鋼絲繩，以減少鋼絲繩結構差異對張力測量結果的影響。

鋼絲繩具有一定的柔韌性，但位置固定后，越接近兩端受力點的鋼絲繩柔韌性越差，即中間段和兩端受力點的張力不同，會導致張力測量儀受力狀態發生變化。為了保證測量結果的準確性和穩定性，測量儀需與鋼絲繩的兩端保持一定距離，選擇鋼絲繩中部且表面無損傷的部位進行測量。

2.3 校準方法

圖5 鋼絲繩截面示意圖Fig.5 Section diagram of steel wire rope

(4)

3 鋼絲繩張力測量儀示值誤差的不確定度評定實例

根據鋼絲繩張力測量儀的計量特性，為了簡化計算過程，可以首先計算示值的不確定度[11]，然后通過量程示值誤差的不確定度，得到鋼絲繩張力測量儀示值誤差的不確定度。

3.1 數學模型

不確定度的數學模型為

(5)

式中：ΔF為鋼絲繩張力測量儀的示值誤差。

3.2 標準不確定度的評定

標準不確定度來源主要為測力杠桿式試驗機的不確定度u1以及重復測量引起的不確定度u2兩個部分。

測力杠桿式試驗機的準確度等級為0.1級[9]，使用B類方法，服從均勻分布，可得不確定度為

(6)

示值重復性引起的不確定度u2的測量結果的算術平均值和試驗標準差如表1所示。

表1 不確定度u2測量結果的平均值和試驗標準差Tab.1 Average value and experiment standard deviation of measurement results of uncertainty u2 N

取算術平均值的標準偏差中最大值作為u2，則有不確定度為

u2=3.0 N

(7)

3.3 合成標準不確定度的評定

u1和u2相互獨立不相關[12]，根據不確定度的傳播定律，得到測量結果的合成標準不確定度為

(8)

示值誤差的相對合成標準不確定度uc,rel為

(9)

3.4 擴展不確定度的評定

取包含因子k=2，鋼絲繩張力測量儀測量結果的擴展不確定度Urel為

Urel=k·uc,rel=

2×0.084%FS≈0.17%FS

(10)

3.5 評定結果

根據以上計算結果可以得到標準裝置引入不確定度u1為2.9 N, 重復測量引入不確定度u2為3.0 N，合成標準不確定度uc為4.2 N，擴展不確定度Urel(k=2)為0.17%FS。由于標準裝置、輔助設備及環境條件等所引入的測量擴展不確定度一般應小于被檢設備最大允許誤差的1/3，確定此校準方法適用于準確度等級高于0.5級的鋼絲繩張力測量儀的實驗室校準。

4 結論

通過對鋼絲繩張力測量儀基本結構和工作原理的分析，結合設備的使用工況選擇測力杠桿式試驗機作為標準裝置，并使用可溯源的配套砝碼提供標準力值，得到鋼絲繩張力測量儀的實驗室測量結果，實現了張力測量儀的室驗室校準。通過對鋼絲繩張力測量儀的示值誤差進行不確定度評定，確定當被測量的鋼絲繩張力測量儀準確度等級高于0.5級時，使用該校準方法可以確保鋼絲繩張力測量儀測量結果準確可靠，其擴展不確定度為0.17%FS。