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高温静应变测量

概述:
高温下的静应变测量对测试工程师来说是个巨大的挑战。普通应变计不能区分哪些是我们期望测得的由于机械载荷变化产生的应变,哪些是测试材料随温度变化产生的膨胀。这种由于热膨胀造成的应变读数经常被称为“视应变”或“热应变”。在中等温度下(低于250℃),可使用温度自补偿的应变计,尽量减少由于热膨胀造成的应变读数。对于这种测量,我们通常采用3线制惠斯登电桥,但同时我们必须知道并有效解决这种方案下三种测量不确定度的来源。


惠斯登电桥的三种测量不确定度来源:
1) 任何载流导线上的电阻(图1中R wire 1, Rwire 2)都会导致应变计灵敏度降低。使用通道增益可以补偿降低的灵敏度,但是测试过程中延长线的电阻会随温度变化,造成乘常数测量不确定度。
2) 3线制惠斯登电桥的连接依靠载流导线(wire1, wire 2)电阻温度系数(TCR)的精确匹配来保持电桥平衡。即使测试过程中这些导线上最轻微的热变化也可以使电桥输出产生显著的直流漂移。这种“零漂移”误差无法从测试件的机械应变区分出来,这样就造成了一个加常数测量不确定度。
3) 3线制惠斯登电桥的连接在物理和电气上均不对称,无法抑制静电噪声。为了消除静态测量时的噪声拾取,3线制电路必须使用滤波器充分滤波,因此不适合在嘈杂的环境中同时测量静态和动态信号。

高温应变测量的最佳技术
4线制开尔文连接(<250℃时的最佳解决方案)
采用对称恒流激励技术的4线制开尔文连接,是高温下使用温度自补偿应变计进行测量的最佳方式 (<250℃)。恒流激励而不是恒压激励的采用使得工作片在任何导线电阻下都能得到精确的激励。由于高阻抗感应线测量的只是应变信号,4线制连接完全消除了应变计灵敏度下降和零点漂移的误差,而不用担心4根导线的匹配特性。由于感应线是对称的,放大器的共模抑制(CMR)提供了高抗噪能力,允许使用同一片应变计进行静态和动态数据的测量。


5线制惠斯登电桥连接(>250℃时的最佳解决方案)
在大约250℃以上的更高温度下,没有适宜的温度自补偿应变计可以使用。视应变的补偿是通过一个补偿片与工作片的半桥连接来实现。补偿片应小心放置,使之处在与工作片相同的热环境下,同时避免机械过程造成的应变。由于补偿片暴露在与工作片完全相同的热环境下,读数中的视应变部分就在半桥电路中抵消了。

3线连接有时会被用于调理远端半桥。然而,这种电路也具有同单臂电路一样的三种不确定度来源:灵敏度降低、零点漂移和抗噪能力差。在较高温度的情况下,镍合金导线由于其强度高、耐腐蚀性而被用于应变计的连接。但是这些合金具有非常高的电阻,加剧了上述的所有问题。

通过使用两根额外的导线用于远端感测,5线制惠斯登电桥电路确保适当的激励传递到半桥,并解决了灵敏度降低和零点漂移问题。仍应当注意的是,5线制半桥电路也容易拾取噪声,必须在信号调理器中充分滤波,因此不适合动应变测量。


28144四通道对称恒流或恒压激励信号调理器
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三种主机系统可供选择,PFI 28000信号调理系统可扩展以完成各种规模的静应变测量任务。

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(二)32通道静应变信号调理系统
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(三)16通道静应变信号调理系统
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