應變計多功能補償技術介紹

隨著應力分析技術和傳感器工業(yè)的發(fā)展，為了進一步提高測量精度、簡化使用工藝、降低成本，要求應變計的功能進一步完善。我公司研制的溫度自補償應變計、彈性模量自補償應變計、蠕變自補償應變計陸續(xù)投放市場，滿足了精密應力測量和高精度傳感器的需求。

一、 溫度自補償功能

安裝在無任何外力作用、不受約束的試件上的應變計， 當環(huán)境溫度發(fā)生變化時， 其電阻值也將隨之改變（指示應變），這種變化稱為熱輸出。熱輸出是由于應變計敏感柵材料的電阻溫度系數和敏感柵材料以及被測試件材料之間的線膨脹系數的差異共同作用、迭加產生的結果，可由以下公式表示：

ε t = [(α g / k)+( βs-βg)]*△t

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

圖1 普通應變計熱輸出曲線

通過調整應變計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的熱處理，可以使敏感柵材料的內部晶體結構重新組合，改變其電阻溫度系數，從而使應變計的熱輸出值趨于零，實現對彈性體或試件材料的溫度自補償功能，滿足高精度應力分析和傳感器生產的要求。圖2給出了康銅、卡瑪自補償應變計的典型熱輸出曲線。在+20～+250℃溫度范圍內，它們的熱輸出很小。

圖2 鋼試件上康銅和卡瑪自補償應變計的典型熱輸出

選用方法：

（1）我公司目前提供以下溫度自補償系數的應變計：9、11、16、23、27。其中，“9”用于鈦合金材料（線膨脹系數典型值為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(線膨脹系數典型值為0.000016/℃);“23”用于鋁合金材料（線膨脹系數典型值為0.0000232/℃）；“27”用于鎂合金材料（線膨脹系數典型值為0.0000261/℃）。

（2）當溫度自補償應變計與試件材料匹配時，在補償溫度范圍內，不必對熱輸出進行修正。

（3）當溫度自補償應變計所要求使用材料的線膨脹系數與試件材料有微小差異時，應選用兩片或四片應變計組成半橋或全橋，以消除熱輸出所帶來的影響。

（4）采用1/4橋路進行高精度應力測量時，除安裝在試件表面的工作應變計外，還應在與試件材料相同的補償塊上安裝相同的應變計作為補償片，并與工作片處于相同的環(huán)境條件下，這兩片應變計應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。根據虎克定律，在載荷不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高構件的變形量將增大，因而應變計所檢測的應變也隨之增加。這時，如果應變計的靈敏系數能隨溫度升高而適當降低,將使應變計的輸出不隨溫度改變，從而實現彈性模量補償，這類應變計稱為彈性模量自補償應變計。

彈性模量自補償應變計能起到普通應變計和彈性模量補償電阻器的共同作用，將自動消除傳感器因彈性模量隨溫度變化所造成的靈敏度誤差。如果彈性模量自補償應變計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彈性模量補償電阻器降低供橋電壓的方法相比，具有補償精度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高20～30%、傳感器制造工藝簡單、成本低等優(yōu)點。但單純的彈性模量自補償應變計熱輸出值較大，致使傳感器零點溫度漂移較大，限制了傳感器精度的進一步提高。我公司經過多年研究，研制并開發(fā)生產出溫度自補償與彈性模量自補償兼顧型應變計，較好地解決了這一問題，尤其是半橋和全橋應變計因溫度性能較好而受到用戶歡迎，被廣泛采用。

選用方法：

（1）彈性模量自補償應變計必須與彈性體材料相匹配才能取得比較滿意的補償效果。選用時，一般應根據至少5套傳感器的實測數據選擇所匹配的應變計。

（2）這種應變計對大多數結構材料不具備溫度自補償能力，熱輸出系數較一般溫度自補償應變計要大，因此推薦用于內部溫度梯度較小的傳感器。設計傳感器應盡量采用雙片半橋或四片全橋應變計，以獲得較小的溫度零點漂移。

（3）其焊接性比普通應變計稍差，請選用我公司配套助焊劑。焊接時要細心，并徹底清洗。

三、蠕變自補償功能

傳感器彈性元件因其材料的滯彈性效應而存在固有微蠕變特性，表現為傳感器的輸出隨時間增加而增加(正蠕變)。電阻應變計的基底和貼片用粘結劑具有一定的粘彈性，使應變計的輸出隨時間的增加而減少；而敏感柵材料存在滯彈性效應使應變計輸出隨時間的增加而增加，迭加的結果是應變計在承受固定載荷時呈現或正或負的蠕變特性，其方向和數值可以通過改進敏感柵結構設計、基底材料配比及關鍵工藝參數加以調節(jié)。在彈性體確定后選擇蠕變與彈性體固有蠕變數值相等但方向相反的應變計，就能對彈性體本身的不完善性進行補償。同理，對傳感器制造過程中其他因素引入的蠕變誤差也可以用此方法進行調整，并把傳感器的綜合蠕變數值控制在最小范圍內，見圖3。我公司批量提供數十種形式蠕變梯度的應變計系列供傳感器制造廠家選用。

應變計型號中N※、T※為蠕變標號，標號不同，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

相鄰標號之間實際蠕變值相差0.01～0.015%FS/30min

圖3 蠕變示意圖

選用方法：

（1）首次使用時，可選用一種或兩種蠕變相差較大(不同蠕變標號)的應變計粘貼在彈性體上，根據實測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號。

（2）對彈性體材料、結構相同的傳感器來說，量程越小，蠕變越正，應選擇蠕變越負的應變計。

（3）不同的彈性體材料具有不同的蠕變特性，應選用不同蠕變標號的應變計。

（4）傳感器的系統(tǒng)蠕變除與彈性體、應變計、粘結劑等主要因素有關外，還受密封結構形式、防護膠、生產工藝參數等影響。但這種誤差的量值和方向是可預知的，選擇蠕變標號時應一并考慮。