用應(yīng)變計(jì)測量：如何消除不必要的溫度影響

使用應(yīng)變片進(jìn)行測量時(shí)，溫度變化可能會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生不良影響。幸運(yùn)的是，有許多選擇。通過使用半橋或全橋惠斯通電橋電路，或通過選擇適合的應(yīng)變片或進(jìn)行計(jì)算，最大程度來消除溫度對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

箔式應(yīng)變片的溫度范圍受到使用的材料限制。最大溫度范圍約為300°C至400°C。如果必須在較高的溫度下進(jìn)行測量，則必須使用使用不同原理的高溫應(yīng)變片。HBM應(yīng)變計(jì)溫度范圍為：

?  預(yù)制引線應(yīng)變片：150°C

?  Y + G系列：200°C

?  C系列：250°C

?  M系列：300°C

當(dāng)然，您使用的粘合劑的溫度限制也必須遵守。如果溫度升高時(shí)粘合劑變軟，則無法準(zhǔn)確地傳遞應(yīng)變。因此必須了解粘合劑的溫度限制。粘合劑分為冷固化和熱固化兩種：這取決于室溫下固化是否足夠，是否需要烤箱。HBM提供的粘合劑的溫度限制為：

?  X60：60°C

?  Z70：120°C

?  P250：250°C

?  X280：280°C

?  EP310N：310°C

1  影響量

應(yīng)特別注意這兩個(gè)影響量：

?  材料膨脹（“表觀應(yīng)變”）

?  測量電纜的電阻產(chǎn)生的影響

除了這兩個(gè)主要因素外，溫度效應(yīng)還會(huì)影響其他量。然而，這些影響的總和可以忽略，通常可以通過計(jì)算補(bǔ)償方式來消除（參見下面的計(jì)算補(bǔ)償說明）。

1.1 對于材料膨脹（“表觀應(yīng)變”）我們應(yīng)該如何處理

被測材料隨著溫度的升高而膨脹。該膨脹由材料的膨脹系數(shù)決定。對于鋼來說，約為11ppm/K，也就是增加 1攝氏度，產(chǎn)生11μm/m的膨脹。材料膨脹受溫度變化的影響，最終導(dǎo)致產(chǎn)生“表觀”應(yīng)變，換句話說可以說是無負(fù)載下的應(yīng)變。


變化量



在這種情況下，最好的應(yīng)對措施是采用自補(bǔ)償應(yīng)變片。這些應(yīng)變片溫度特性適用于特定材料，可以補(bǔ)償表觀應(yīng)變（補(bǔ)償測量體溫度產(chǎn)生膨脹）。

1.2 對于電纜電阻產(chǎn)生的變化如何處理

當(dāng)使用兩線制電路時(shí)，測量電纜的電阻被施加到應(yīng)變片電阻上，因此將影響測量。除了產(chǎn)生的零漂并導(dǎo)致K系數(shù)下降外，測量電纜的電阻也與溫度有關(guān)。在這種情況下，合適的對策是使用如下所述的多線技術(shù)。



1.3 K系數(shù)的溫度系數(shù)

K系數(shù)是應(yīng)變片最重要的特性。它描述了應(yīng)變與電阻變化之間的相關(guān)性。K 系數(shù)是具有溫度依賴性的。典型的K系數(shù)為0.01％/ K，其對測量結(jié)果的影響通常相對較小，因此大都可被忽略。然而，通過計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償（對于溫度測量）也是可行的。



1.4 彈性模量的溫度依賴性

彈性模量是測量體的材料依賴性。它描述了測量的應(yīng)變和機(jī)械應(yīng)力之間的相關(guān)性。彈性模量也是具有溫度依賴性的。鋼的典型值約為。-0,02％/K。在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中，通常忽略彈性模量的影響。使用可以校準(zhǔn)的高精度傳感器，通過橋路中具有溫度依賴性的鎳元素進(jìn)行補(bǔ)償。



1.5 應(yīng)變片的自熱（激勵(lì)電壓）

與測量體相比，激發(fā)電壓會(huì)應(yīng)變片變熱。根據(jù)測量體的熱導(dǎo)率，熱傳導(dǎo)或多或少被測量體吸收。如果測量體導(dǎo)熱不良，結(jié)果可能是測量體與應(yīng)變片之間的溫度差。如果過大的激勵(lì)電壓，可能會(huì)干擾自補(bǔ)償應(yīng)變片的性能。


1.6 氣候和相對濕度

如果測量點(diǎn)沒有得到充分的保護(hù)，相對濕度可能會(huì)發(fā)生零點(diǎn)漂移。這是由于粘合劑和應(yīng)變片載體材料的水分子被吸收（吸濕）。合適的對策是小心地保護(hù)測量點(diǎn)。

1.7 粘合劑蠕變

隨著溫度的升高，粘合劑變軟，不再能夠轉(zhuǎn)移100％的應(yīng)變?？赡軙?huì)導(dǎo)致K系數(shù)降低。因此，必須始終遵守粘合劑的溫度限制，并在根據(jù)適用領(lǐng)域選擇。

2  補(bǔ)償措施

2.1 使用自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)

自補(bǔ)償應(yīng)變片專門用于通過其自身的溫度特性來補(bǔ)償某些材料的溫度特性。這意味著它們會(huì)抵消表觀應(yīng)變（從而抵消測量體的溫度引起的膨脹）。因此，應(yīng)選擇具有適合于測量體的材料的溫度響應(yīng)的應(yīng)變片。

常用材料自補(bǔ)償應(yīng)變片溫度調(diào)整：



選擇適應(yīng)不同材料的應(yīng)變片可以補(bǔ)償大部分表觀應(yīng)變。剩余誤差為非線性分量。此誤差可以在生產(chǎn)過程中測量，并包含在數(shù)據(jù)表中。另外，如果溫度變化較大，您還可以通過計(jì)算補(bǔ)償。



2.2 惠斯通電橋和多線制電路

使用自補(bǔ)償應(yīng)變片，連接組成半橋或全橋電路或是三線或四線電路是補(bǔ)償?shù)牧硪恢匾椒?，其可以最小化甚至完全消除電纜電阻產(chǎn)生的影響。

惠斯通電橋電路將極小的電阻變化轉(zhuǎn)換為可測量的電壓。四個(gè)電阻可以由一個(gè)（四分之一橋電路），兩個(gè)（半橋電路）或四個(gè)（全橋電路）應(yīng)變片代替。



由于在惠斯通電橋中各個(gè)橋臂不同，所以有補(bǔ)償?shù)目赡苄浴Ｔ摐囟妊a(bǔ)償效果可以基于彎曲梁的示例來證明：在正負(fù)載下，彈性體在頂部為正應(yīng)變應(yīng)（+）和底部負(fù)應(yīng)變（ - ）。

如果兩個(gè)應(yīng)變片連接到惠斯通電橋，結(jié)果是將信號加倍。如果發(fā)生溫度依賴性應(yīng)變，產(chǎn)生的應(yīng)變將出現(xiàn)在兩個(gè)應(yīng)變片上，并具有相同的信號。因此可以在惠斯通電橋中相互抵消。



可通過三線電路選擇性地補(bǔ)償電纜電阻的影響。為了做到這一點(diǎn)，電源線和另外三個(gè)引線連接到惠斯通電橋的不同橋臂上。由于兩個(gè)結(jié)構(gòu)的對稱性相反，因此相互補(bǔ)償，除了是不對稱的電纜和溫度梯度，電纜電阻可由三線電路補(bǔ)償。

所有的電纜效應(yīng)均可由HBM專利四線電路補(bǔ)償。


三線電路


四線電路

2.3 計(jì)算補(bǔ)償

對于自補(bǔ)償應(yīng)變片的殘余誤差，對于未經(jīng)調(diào)整的應(yīng)變片誤差，以及其他小誤差（例如K系數(shù)的溫度依賴性），可以通過計(jì)算補(bǔ)償。

為了做到這一點(diǎn)，需要并行進(jìn)行溫度測量，并通過在線或隨后的計(jì)算來校正測量的應(yīng)變。同時(shí)也必須考慮溫度梯度。如有必要，必須提供多個(gè)測量點(diǎn)。來自HBM的catman®等軟件工具提供計(jì)算補(bǔ)償?shù)墓δ堋?br />


2.4 使用載頻放大器

除了傳感器本身，放大器在溫度影響方面也起著重要的作用。這尤其適用于熱電電壓：

由于熱電效應(yīng)，在連接不同材料的情況下會(huì)產(chǎn)生溫度依賴性電壓。熱偶就是利用這種效果。然而，這也對應(yīng)變測量系統(tǒng)（溫度依賴性零誤差（零點(diǎn)返回））產(chǎn)生影響。

可以通過使用載頻放大器來補(bǔ)償熱電壓 (HBM QuantumX MX1615B / QuantumX MX1616B)。在這種情況下，存在正弦激勵(lì)電壓，使得測量信號可以被調(diào)制成周期信號。在信號通過濾波器之后，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，使得準(zhǔn)靜態(tài)熱電電壓可以在放大器中被濾除。