應(yīng)變計(jì)多功能補(bǔ)償技術(shù)介紹

隨著應(yīng)力分析技術(shù)和傳感器工業(yè)的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度、簡(jiǎn)化使用工藝、降低成本，要求應(yīng)變計(jì)的功能進(jìn)一步完善。我公司研制的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)、彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)、蠕變自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)陸續(xù)投放市場(chǎng)，滿足了精密應(yīng)力測(cè)量和高精度傳感器的需求。

一、 溫度自補(bǔ)償功能

安裝在無(wú)任何外力作用、不受約束的試件上的應(yīng)變計(jì)， 當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)， 其電阻值也將隨之改變（指示應(yīng)變），這種變化稱(chēng)為熱輸出。熱輸出是由于應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)和敏感柵材料以及被測(cè)試件材料之間的線膨脹系數(shù)的差異共同作用、迭加產(chǎn)生的結(jié)果，可由以下公式表示：

ε t = [(α g / k)+( βs-βg)]*△t

式中α g、βg分別為應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)，K為應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)，βs為試件的線膨脹系數(shù)，△t為偏離參考溫度的相對(duì)溫度變化量。普通應(yīng)變計(jì)的熱輸出往往很大，如圖1所示。熱輸出是靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中最大的誤差源，并且熱輸出分散也會(huì)隨著熱輸出值的增大而增大。在測(cè)試環(huán)境存在溫度梯度或瞬變時(shí)，這種差異就更大。因此，理想的情況是應(yīng)變計(jì)的熱輸出值趨于零，滿足這一要求的應(yīng)變計(jì)稱(chēng)為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。

圖1 普通應(yīng)變計(jì)熱輸出曲線

通過(guò)調(diào)整應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的合金成分配比、改變冷扎成型壓縮率以及適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢允姑舾袞挪牧系膬?nèi)部晶體結(jié)構(gòu)重新組合，改變其電阻溫度系數(shù)，從而使應(yīng)變計(jì)的熱輸出值趨于零，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性體或試件材料的溫度自補(bǔ)償功能，滿足高精度應(yīng)力分析和傳感器生產(chǎn)的要求。圖2給出了康銅、卡瑪自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的典型熱輸出曲線。在+20～+250℃溫度范圍內(nèi)，它們的熱輸出很小。

圖2 鋼試件上康銅和卡瑪自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的典型熱輸出

選用方法：

（1）我公司目前提供以下溫度自補(bǔ)償系數(shù)的應(yīng)變計(jì)：9、11、16、23、27。其中，“9”用于鈦合金材料（線膨脹系數(shù)典型值為0.0000088 /℃）；“11”用于合金鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼材料（線膨脹系數(shù)典型值為0.0000113 /℃）；“16”用于奧氏體不銹鋼材料和銅基材料(線膨脹系數(shù)典型值為0.000016/℃);“23”用于鋁合金材料（線膨脹系數(shù)典型值為0.0000232/℃）；“27”用于鎂合金材料（線膨脹系數(shù)典型值為0.0000261/℃）。

（2）當(dāng)溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)與試件材料匹配時(shí)，在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)，不必對(duì)熱輸出進(jìn)行修正。

（3）當(dāng)溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)所要求使用材料的線膨脹系數(shù)與試件材料有微小差異時(shí)，應(yīng)選用兩片或四片應(yīng)變計(jì)組成半橋或全橋，以消除熱輸出所帶來(lái)的影響。

（4）采用1/4橋路進(jìn)行高精度應(yīng)力測(cè)量時(shí)，除安裝在試件表面的工作應(yīng)變計(jì)外，還應(yīng)在與試件材料相同的補(bǔ)償塊上安裝相同的應(yīng)變計(jì)作為補(bǔ)償片，并與工作片處于相同的環(huán)境條件下，這兩片應(yīng)變計(jì)應(yīng)分別接在惠斯通電橋的相鄰兩臂，以消除熱輸出的影響。

二、彈性模量自補(bǔ)償功能

材料的彈性模量一般隨環(huán)境溫度的升高而下降。根據(jù)虎克定律，在載荷不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高構(gòu)件的變形量將增大，因而應(yīng)變計(jì)所檢測(cè)的應(yīng)變也隨之增加。這時(shí)，如果應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)能隨溫度升高而適當(dāng)降低,將使應(yīng)變計(jì)的輸出不隨溫度改變，從而實(shí)現(xiàn)彈性模量補(bǔ)償，這類(lèi)應(yīng)變計(jì)稱(chēng)為彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)。

彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)能起到普通應(yīng)變計(jì)和彈性模量補(bǔ)償電阻器的共同作用，將自動(dòng)消除傳感器因彈性模量隨溫度變化所造成的靈敏度誤差。如果彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)與彈性體材料良好匹配，則傳感器溫度漂移可優(yōu)于0.002%FS/℃。它與目前常用的串聯(lián)彈性模量補(bǔ)償電阻器降低供橋電壓的方法相比，具有補(bǔ)償精度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高20～30%、傳感器制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但單純的彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)熱輸出值較大，致使傳感器零點(diǎn)溫度漂移較大，限制了傳感器精度的進(jìn)一步提高。我公司經(jīng)過(guò)多年研究，研制并開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出溫度自補(bǔ)償與彈性模量自補(bǔ)償兼顧型應(yīng)變計(jì)，較好地解決了這一問(wèn)題，尤其是半橋和全橋應(yīng)變計(jì)因溫度性能較好而受到用戶歡迎，被廣泛采用。

選用方法：

（1）彈性模量自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)必須與彈性體材料相匹配才能取得比較滿意的補(bǔ)償效果。選用時(shí)，一般應(yīng)根據(jù)至少5套傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選擇所匹配的應(yīng)變計(jì)。

（2）這種應(yīng)變計(jì)對(duì)大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料不具備溫度自補(bǔ)償能力，熱輸出系數(shù)較一般溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)要大，因此推薦用于內(nèi)部溫度梯度較小的傳感器。設(shè)計(jì)傳感器應(yīng)盡量采用雙片半橋或四片全橋應(yīng)變計(jì)，以獲得較小的溫度零點(diǎn)漂移。

（3）其焊接性比普通應(yīng)變計(jì)稍差，請(qǐng)選用我公司配套助焊劑。焊接時(shí)要細(xì)心，并徹底清洗。

三、蠕變自補(bǔ)償功能

傳感器彈性元件因其材料的滯彈性效應(yīng)而存在固有微蠕變特性，表現(xiàn)為傳感器的輸出隨時(shí)間增加而增加(正蠕變)。電阻應(yīng)變計(jì)的基底和貼片用粘結(jié)劑具有一定的粘彈性，使應(yīng)變計(jì)的輸出隨時(shí)間的增加而減少；而敏感柵材料存在滯彈性效應(yīng)使應(yīng)變計(jì)輸出隨時(shí)間的增加而增加，迭加的結(jié)果是應(yīng)變計(jì)在承受固定載荷時(shí)呈現(xiàn)或正或負(fù)的蠕變特性，其方向和數(shù)值可以通過(guò)改進(jìn)敏感柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基底材料配比及關(guān)鍵工藝參數(shù)加以調(diào)節(jié)。在彈性體確定后選擇蠕變與彈性體固有蠕變數(shù)值相等但方向相反的應(yīng)變計(jì)，就能對(duì)彈性體本身的不完善性進(jìn)行補(bǔ)償。同理，對(duì)傳感器制造過(guò)程中其他因素引入的蠕變誤差也可以用此方法進(jìn)行調(diào)整，并把傳感器的綜合蠕變數(shù)值控制在最小范圍內(nèi)，見(jiàn)圖3。我公司批量提供數(shù)十種形式蠕變梯度的應(yīng)變計(jì)系列供傳感器制造廠家選用。

應(yīng)變計(jì)型號(hào)中N※、T※為蠕變標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)不同，蠕變值不同，其規(guī)律是：

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

相鄰標(biāo)號(hào)之間實(shí)際蠕變值相差0.01～0.015%FS/30min

圖3 蠕變示意圖

選用方法：

（1）首次使用時(shí)，可選用一種或兩種蠕變相差較大(不同蠕變標(biāo)號(hào))的應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性體上，根據(jù)實(shí)測(cè)的綜合蠕變大小和方向最終確定與傳感器相匹配的蠕變標(biāo)號(hào)。

（2）對(duì)彈性體材料、結(jié)構(gòu)相同的傳感器來(lái)說(shuō)，量程越小，蠕變?cè)秸瑧?yīng)選擇蠕變?cè)截?fù)的應(yīng)變計(jì)。

（3）不同的彈性體材料具有不同的蠕變特性，應(yīng)選用不同蠕變標(biāo)號(hào)的應(yīng)變計(jì)。

（4）傳感器的系統(tǒng)蠕變除與彈性體、應(yīng)變計(jì)、粘結(jié)劑等主要因素有關(guān)外，還受密封結(jié)構(gòu)形式、防護(hù)膠、生產(chǎn)工藝參數(shù)等影響。但這種誤差的量值和方向是可預(yù)知的，選擇蠕變標(biāo)號(hào)時(shí)應(yīng)一并考慮。