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如何提高应力测试的测量精度 - 第2部分


采用误差补偿的应变技术已有几十年历史了。但是有多个因素会影响应变测量。本文的主要目的是解释应力测量的 误差来源,并阐述了如何在设计阶段对 测量的不确定性 进行评估。


测量链

为了便于理解,我们采用了单轴应力测试作为示例。下图显示了测量信号的流程。图中显示了影响量以及对整个测量链的影响。

测量对象 (DUT)

当被测物体被加载后,将在材料上产生应力 σ,这将产生与 弹性模量成反比 的应变。材料的表面应变可以通过应变片来进行测量。


弹性模量表现出不确定度(弹性模量容差)。通过对结构钢的广泛检定,弹性模块的容差高达4.5%。弹性模量还受到 温度以及弹性模量温度系数 的影响。


如果应变片被黏贴到 凸出物体表面 (例如弯曲杆) ,测量栅丝的应变将会大于物体表面的应变。


黏贴 胶水的厚度 和应变片的结构也会对应变产生微小影响。温度的变化 t 和材料膨胀温度系数 会引起热膨胀,其会对 零点有关的测量 产生显著的影响。


安装

理想情况下,测量栅丝的实际应变为:


在实际的应用中,尽管非常小心,排列和安装错误等也会发生。应变片作为弹性部件会屈服于机械应变,胶水的流体特性以及自发应变负载后应变片边缘区域会产生 迟滞效应,因此会产生 轻微的蠕变。 (在传感器制造过程中,通常通过调节横向桥路来蕞小化)。在应力测试过程中,尽管可以通过一些方式可以将蠕变蕞小化,但通常来说是没有必要的。但对于弯曲表面安装,应变误差会变大(见上文)。


如果测量点没有 充分防潮,胶水和应变片基底会吸收水分,这将会 产生较大的误差


含水量也影响测量值的稳定性(见下文应变传感器:绝缘电阻)。尤其是零点有关的测量。测试工程师必须小心观察和处理,以避免上述负面影响。并且,需要对测量点进行必要地保护,以确保正确的测量结果,尤其是与零点相关的测量


以上描述的所有现象将会导致应变测量栅丝的应变无法和材料应变完全匹配。


应变片

应变片将应变转换为测量栅丝的电阻变化,其正比于应变。


K 系数的容差和温度灵敏度 是不确定性的主要因素。


还应该注意的是如果应变不均匀分布,测量栅丝将被平均转换为电阻变化。因此如果错误的应变片长度被选择,测得的应变可能会过大或过小。


应变片对温度的响应会影响零点。尤其是存在较大的温差或是应变片无法很好匹配材料的热膨胀系数时。


自加热 (应变片的功率转换) 有着相似的结果, 因为这将导致材料和应变片之间产生温差。这也是为何现代测量放大器设置 非常低的激励电压 的原因。甚至是非常小的桥路输出电压都会被放大器精确放大。同时需要指出的,非常薄的材料和散热非常差的材料也会出现这种情况


频繁变化的应变,并且大振幅 (> 1500 um/m)将会使测量栅丝产生疲劳,从而产生零漂。


应变片的横向灵敏度是存在的,但不会产生大的误差。在单轴应力状况下,通过对 K 系数的实验检定,已经将其考虑在内了。


对于应变测量来说,线性误差(蕞高可达 1000 um/m)是可以忽略不计的。


潮气的渗透会降低绝缘电阻,其反过来会产生电阻分流连接到应变片。通常体现为 测量值的不稳定。低欧姆的应变片对湿度和潮湿不敏感。


测量放大器

到测量放大器的输入量是应变片电阻的变化。 


因为其非常小(大约 1000 um/m,K 系数为2,应变电阻为 120 Ω,输出仅有 0.24 Ω), 惠斯通电桥(四分之一桥)的其他三个电阻为固定电阻 (通常在测量放大器中)。全桥或半桥能够降低测量不确定性,这里将不进行讨论。


这里仅考虑的是四分之一桥路的应变片。桥路的不平衡和电阻的相对变化采用以下方式描述:


实际相关显示了非常小的非线性,这将在下面更详细描述。测量放大器为桥路提供供电电压,放大桥路输出电压并产生测量值。


这里没有考虑由于由于 引线电阻,干扰,热电电压和测量电路自身引起的测量误差。这些可以通过一些公知的技术来完全避免(多线制, 增强型 Kreuzer 电路, 屏蔽, 现代 TF 测量放大器)。


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