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应变计多功能补偿技术介绍

发布时间:2017-02-07 23:53:21


随着应力分析技术和传感器工业的发展,为了进一步提高测量精度、简化使用工艺、降低成本,要求应变计的功能进一步完善。我公司研制的温度自补偿应变计、弹性模量自补偿应变计、蠕变自补偿应变计陆续投放市场,满足了精密应力测量和高精度传感器的需求。

一、 温度自补偿功能

安装在无任何外力作用、不受约束的试件上的应变计, 当环境温度发生变化时, 其电阻值也将随之改变(指示应变),这种变化称为热输出。热输出是由于应变计敏感栅材料的电阻温度系数和敏感栅材料以及被测试件材料之间的线膨胀系数的差异共同作用、迭加产生的结果,可由以下公式表示: 

ε t = [(α g / k)+( βs-βg)]*△t 

式中α g、βg分别为应变计敏感栅材料的电阻温度系数和线膨胀系数,K为应变计的灵敏系数,βs为试件的线膨胀系数,△t为偏离参考温度的相对温度变化量。普通应变计的热输出往往很大,如图1所示。热输出是静态应变测量中最大的误差源,并且热输出分散也会随着热输出值的增大而增大。在测试环境存在温度梯度或瞬变时,这种差异就更大。因此,理想的情况是应变计的热输出值趋于零,满足这一要求的应变计称为温度自补偿应变计。

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图1 普通应变计热输出曲线


通过调整应变计敏感栅材料的合金成分配比、改变冷扎成型压缩率以及适当的热处理,可以使敏感栅材料的内部晶体结构重新组合,改变其电阻温度系数,从而使应变计的热输出值趋于零,实现对弹性体或试件材料的温度自补偿功能,满足高精度应力分析和传感器生产的要求。图2给出了康铜、卡玛自补偿应变计的典型热输出曲线。在+20~+250℃温度范围内,它们的热输出很小。

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图2 钢试件上康铜和卡玛自补偿应变计的典型热输出

选用方法:

(1)我公司目前提供以下温度自补偿系数的应变计:9、11、16、23、27。其中,“9”用于钛合金材料(线膨胀系数典型值为0.0000088 /℃);“11”用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢材料(线膨胀系数典型值为0.0000113 /℃);“16”用于奥氏体不锈钢材料和铜基材料(线膨胀系数典型值为0.000016/℃);“23”用于铝合金材料(线膨胀系数典型值为0.0000232/℃);“27”用于镁合金材料(线膨胀系数典型值为0.0000261/℃)。

(2)当温度自补偿应变计与试件材料匹配时,在补偿温度范围内,不必对热输出进行修正。

(3)当温度自补偿应变计所要求使用材料的线膨胀系数与试件材料有微小差异时,应选用两片或四片应变计组成半桥或全桥,以消除热输出所带来的影响。

(4)采用1/4桥路进行高精度应力测量时,除安装在试件表面的工作应变计外,还应在与试件材料相同的补偿块上安装相同的应变计作为补偿片,并与工作片处于相同的环境条件下,这两片应变计应分别接在惠斯通电桥的相邻两臂,以消除热输出的影响。


二、弹性模量自补偿功能

材料的弹性模量一般随环境温度的升高而下降。根据虎克定律,在载荷不变的情况下,随着环境温度的升高构件的变形量将增大,因而应变计所检测的应变也随之增加。这时,如果应变计的灵敏系数能随温度升高而适当降低,将使应变计的输出不随温度改变,从而实现弹性模量补偿,这类应变计称为弹性模量自补偿应变计。

弹性模量自补偿应变计能起到普通应变计和弹性模量补偿电阻器的共同作用,将自动消除传感器因弹性模量随温度变化所造成的灵敏度误差。如果弹性模量自补偿应变计与弹性体材料良好匹配,则传感器温度漂移可优于0.002%FS/℃。它与目前常用的串联弹性模量补偿电阻器降低供桥电压的方法相比,具有补偿精度高、稳定性好、灵敏度高20~30%、传感器制造工艺简单、成本低等优点。但单纯的弹性模量自补偿应变计热输出值较大,致使传感器零点温度漂移较大,限制了传感器精度的进一步提高。我公司经过多年研究,研制并开发生产出温度自补偿与弹性模量自补偿兼顾型应变计,较好地解决了这一问题,尤其是半桥和全桥应变计因温度性能较好而受到用户欢迎,被广泛采用。

选用方法:

(1)弹性模量自补偿应变计必须与弹性体材料相匹配才能取得比较满意的补偿效果。选用时,一般应根据至少5套传感器的实测数据选择所匹配的应变计。

(2)这种应变计对大多数结构材料不具备温度自补偿能力,热输出系数较一般温度自补偿应变计要大,因此推荐用于内部温度梯度较小的传感器。设计传感器应尽量采用双片半桥或四片全桥应变计,以获得较小的温度零点漂移。

(3)其焊接性比普通应变计稍差,请选用我公司配套助焊剂。焊接时要细心,并彻底清洗。

三、蠕变自补偿功能 

传感器弹性元件因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性,表现为传感器的输出随时间增加而增加(正蠕变)。电阻应变计的基底和贴片用粘结剂具有一定的粘弹性,使应变计的输出随时间的增加而减少;而敏感栅材料存在滞弹性效应使应变计输出随时间的增加而增加,迭加的结果是应变计在承受固定载荷时呈现或正或负的蠕变特性,其方向和数值可以通过改进敏感栅结构设计、基底材料配比及关键工艺参数加以调节。在弹性体确定后选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计,就能对弹性体本身的不完善性进行补偿。同理,对传感器制造过程中其他因素引入的蠕变误差也可以用此方法进行调整,并把传感器的综合蠕变数值控制在最小范围内,见图3。我公司批量提供数十种形式蠕变梯度的应变计系列供传感器制造厂家选用。

应变计型号中N※、T※为蠕变标号,标号不同,蠕变值不同,其规律是:

N9>N7>N5>N3>N1>N0>N8>N6>N4>N2>T0>T2>T4>T6>T8>T1>T3>T5

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相邻标号之间实际蠕变值相差0.01~0.015%FS/30min


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图3 蠕变示意图

选用方法:

(1)首次使用时,可选用一种或两种蠕变相差较大(不同蠕变标号)的应变计粘贴在弹性体上,根据实测的综合蠕变大小和方向最终确定与传感器相匹配的蠕变标号。

(2)对弹性体材料、结构相同的传感器来说,量程越小,蠕变越正,应选择蠕变越负的应变计。

(3)不同的弹性体材料具有不同的蠕变特性,应选用不同蠕变标号的应变计。

(4)传感器的系统蠕变除与弹性体、应变计、粘结剂等主要因素有关外,还受密封结构形式、防护胶、生产工艺参数等影响。但这种误差的量值和方向是可预知的,选择蠕变标号时应一并考虑。