应变片的最大允许桥路激励电压是一个非常重要的技术参数。这个值的重要性在哪里,如何计算,在实际应用中,哪些是需要考虑的?

应变片作为一个热能部件

当采用 惠斯通电桥 进行应变测量,应变片是电阻。施加的电压导致功率损失,表现为应变片的测量栅丝发热。

热量需要消散,因为 过多的热量 会导致不正确的测量值,产生测量误差。

  • 应变片热膨胀导致的视应变,会导致零漂。
  • 测量体和应变片之间过大的热膨胀差别,将劣化自我温度补偿特性。
  • 当测量在高温环境下,过高的温度会超出温度限制 (例如胶水) 。

因此有必要将最大激励电压限制在一个合理的范围内,因为热量无法完全避免。以便保证 最小的测量误差

在下面的案例中,温度上升导致测量体最高升高 5 °C ,假设在室温条件下,测量误差将小于 1 µm/m。即使在非常糟糕的情况下,应变片对温度有很高的依赖性,测量误差也不会超过 10 µm/m.

影响热量的因素

以下因素会对热量产生重要的冲击,也就是最大允许激励电压 Umax:

  1. 应变片电阻 R - 更高的电阻产生更低的热量
  2. 应变栅丝区 A - 更大的区域散热更好
  3. 测量体的热导率 λ – 也就是散热效率
  4. 特性 - 例如应变片的设计 (测量栅丝)

Heat Flow Model

从电气角度来说, 给定最大功率 P 和给定电阻 R 的最大允许激励电压以以下方式计算:

 

 

热计算涉及建立一个将应变片黏合到一个无限热容量 C 的测量体上的 热流模型

并且需要通过紧靠应变片区和测量体之间的温度差建立 温度梯度 ΔT/d,其独立于栅丝区和应变电阻并可被视为故障分析测量。

 实验研究表明,在紧靠应变片区域,测量误差限制符合温度梯度 ΔT/d = 0.75² °C/mm。

图 1: 应变片通过测量体散热的热流模型。

测量体的耗散热能 Q' 取决于应变栅丝区域 A, 测量体的热导率 λ, 和温度梯度 ΔT/d:

 在静态模式中,电功率 P 和 热能 Q' 相等。

计算最大允许激励电压

假设模型中产生的电热能完全通过测量体消散, 以下等式用于计算最大允许桥路激励电压  :

该方程式用于对各种已知参数的应变片和通过经验确定温度梯度的最大允许激励电压的计算:

  • 电阻 R: 应变片特性
  • 测量区 A: 测量栅丝区域是长度和宽度的乘积。更小的应变片会比更大的散热更快,因此需要更小的激励电压。
  • 热导率 λ: 测量体材料对最大激励电压有着显著地影响,例如铝和材料的热导率之间的差别非常大。以下是典型的测量体材料的热导率。.
测量体热导率 λ [W/m*K]HBM 部件号钢铁修正因素
铁素体钢l5011.00
23632.17
奥氏体钢1550.55
石英硅玻璃/复合材料 0.7660.12
钛/灰口铸铁 2270.03
塑料< 0.0580.03
13691.65

只有当应变片的激励电压和已知钢匹配才能使用表中的右栏校正因子。如何安装在另外材料中,需要采用以下等式: 

 

最大桥路激励电压细节

载波频率

当正弦载波频率被用于桥路激励时,最大激励电压减少 0.7 (1/√2 ) 。这意味着载波频率是更好的选择,因为其对应变片的加热程度小于直流供电。

应变花

当采用应边花时,独立的栅丝将会放置在另外一个上部,上部的测量栅丝散热将小于下部的栅丝。T型应变花,最大的允许激励电压需要采用乘以因数 0.7 (1/√2 ) ,而采用三个测量栅丝的将乘以因数 0.6 (1/√3 )。

可焊接应变片

当采用可焊接应变片时,由于焊点的原因,因此需要采用更小的最大允许激励电压。

封装的应变片

以上的公式适用于封装的应变片,因为模型只考虑应变片到测量体的散热,到周围空气的散热被忽略,因此封装应变片不受影响。

夹层应变片

夹层应变片一般用于导热率较差的环境中,因此需要尽可能采用最低的桥路激励电压。

极端条件

在这种情况下,最好采用光学应变片。在高品质的真空或极低的温度或接近绝对零度时测量,最好采用光学应变片。.

实际中应用

首先要注意的是,略微超出 最大允许激励电压不会对应变片造成损害。测量误差主要存在于零点漂移。在动态测量中,甚至是可以忽略的。

应变片的最大激励电压在包装中或在数据参数表中描述。关键的是要匹配测量体材料。因此热导率 λ 必须匹配材料的温度响应。如果无法获知安装的测量体特性,请参考上述表中的修正因子。

其次,需要记住 最大激励电压。当用于放大器时,可以大幅降低最大激励电压。大幅降低最大激励电压可以更快速获取测量结果,并显著降低测量误差。

当采用载频放大器是,应该采用因素 0.7 (有效电压值)。因为已经采用了安全余量,因此可以显著降低测量误差。

当用于非常好的热导率,例如塑料时。应采用最小的激励电压并选择尽可能高电阻的应变片。

作为一个经验法则,激励电压 2.5 V 能够用于对铝,钢等材料,采用的应变片的最小测量栅丝长度为 1.5 mm,电阻为350 欧姆。其远远低于最大激励电压,可以尽可能减少测量误差。

文章作者

Jens Boersch

HBM 应变片产品和应用经理

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