用应变计测量:如何消除对测量结果造成不必要的温度影响

使用应变片进行测量时,温度变化可能会对测量结果产生不良影响。幸运的是,有许多选择 - 通过使用半桥或全桥惠斯登电桥电路,或通过选择最适合应用的应变片,以及计算 - 最大程度来消除温度对测量结果产生的影响。

箔式应变片的温度范围受到使用的材料限制。最大范围约为300°C至400°C。如果必须在较高的温度下进行测量,则必须使用使用不同原理的高温应变片。HBM应变计温度范围为

  • 预制引线应变片: 150°C
  • Y + G系列: 200°C
  • C系列: 250°C
  • M系列: 300°C

当然,您使用的粘合剂的温度限制也必须遵守。如果温度升高时粘合剂变软,则不再能准确地传递应变。因此必须了解粘合剂的温度限制。粘合剂分为冷固化和热固化两种:这取决于室温下固化是否足够,还是需要烤箱。 HBM提供的粘合剂的温度限制为

  • X60: 60°C
  • Z70: 120°C
  • P250: 250°C
  • X280: 280°C
  • EP310N: 310°C

概述:温度变化会对哪些量产生影响,何种措施可以消除这些影响。

Influence quantity

Possible compensating measure

Material expansionUse self-compensated strain gauges
Cable resistanceUse multiwire techniques
Temperature coefficient of the gauge factorVery low, usually ignored. Computational compensation while simultaneously measuring the temperature is possible.
Temperature influence on the modulus of elasticityUsually ignored
The following points, which may also be related to temperature, are also relevant:
Self-heating of the strain gaugeObserve the maximum excitation voltage
Climate/relative humidityCareful covering of the measuring point
Adhesive creepObserve the temperature limits of the adhesive you are using

1. Influence Quantities

应特别注意这两个影响量:

  • 材料膨胀(“表观应变”)
  • 由测量电缆的电阻产生的影响。

除了这两个主要因素外,温度效应还会影响其他量。然而,这些影响的总和可以忽略,通常可以通过计算补偿方式来消除(参见下面的计算补偿说明)。

1.1 对于材料膨胀(“表观应变”)我们应该如何处理

被测材料随着温度的升高而膨胀。该膨胀由材料的膨胀系数决定。对于钢来说,例如约 11ppm / K,也就是增加 1摄氏度,产生 11μm/ m 的膨胀。材料膨胀受温度变化的影响,最终导致测量“表观”应变,换句话说可以说是无负载下的应变。

变化量

应变片温度补偿

在这种情况下,最好的应对措施是采用自补偿应变片。这些应变片温度特性适用于特定材料,可以补偿表观应变(补偿测量体温度产生膨胀)。

1.2 对于电缆电阻产生的变化如何处理

应变片温度补偿当使用两线电路时(见图),测量电缆的电阻被施加到应变片电阻上,因此将影响测量。 除了产生的零漂并导致 K 系数下降外,测量电缆的电阻也与温度有关。

在这种情况下,合适的对策是使用如下所述的多线技术。

1.3 K 系数的温度系数

K 系数是应变片最重要的特性。 它描述了应变与电阻变化之间的相关性。 K 系数是温度依赖性的。 典型的K系数为0.01%/ K,其对测量结果的影响通常相对较小,因此大都被忽略。 然而,计算补偿(对于温度测量)也是可行的。

K 系数的温度系数

1.4 弹性模量的温度依赖性

弹性模量是测量体的材料依赖性。 它描述了测量的应变和机械应力之间的相关性。 弹性模量是具有温度依赖性的。 在这种情况下,钢的典型值约为。-0,02%/ K。 在实验应力分析中,通常忽略弹性模量的影响。使用可以校准的高精度传感器,通过桥中的温度依赖性镍元素进行补偿。

弹性模量的温度依赖性

1.5 应变片的自热(激励电压)

与测量体相比,激发电压会应变片变热。 根据测量体的热导率,热传导或多或少被测量体吸收。 如果测量体导热不良,结果可能是测量体与应变片之间的温度差。 如果过大的激励电压,可能会干扰自补偿应变片的能力。

应变片的自热(激励电压)

1.6 气候和相对湿度

如果测量点没有得到充分的保护,相对湿度可能会发生零点漂移。 这是由于粘合剂和应变片载体材料的水分子被吸收(吸湿)。 合适的对策是小心地保护测量点。

1.7 粘合剂蠕变

随着温度的升高,粘合剂变软,不再能够转移100%的应变。可能会导致 K 系数降低。 因此,必须始终遵守粘合剂的温度限制,并在根据适用领域选择。

2. 补偿措施

2.1 使用自补偿应变计

自补偿应变片专门用于通过其自身的温度特性来补偿某些材料的温度特性。 这意味着它们会抵消表观应变(从而抵消测量体的温度引起的膨胀)。 因此,选择具有适合于测量体的材料的温度响应的应变片。

常用材料自补偿应变片温度调整:

编号材料 (examples)α (·10-6 / °K)
1铁素体钢 10.8
3 23
5奥氏体钢 16
6二氧化硅/复合材料 0.5
7钛/灰口铸铁 9.0
8塑料 65
9 5.4

选择适应不同材料的应变片可以补偿大部分表观应变。 剩余误差为非线性分量。 此误差可以在生产过程中测量,并包含在数据表中(见图)。另外,如果温度变化较大,您还可以执行计算补偿(见下文)。


Article: Determination of the Coefficient of Thermal Expansion of a Material Using Strain Gauges

Learn how the coefficient of thermal coefficient of expansion of aluminium can be determined using "mismatched" foil strain gauges.

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Article: Temperature compensation of strain gauge ¼-bridges with example calculation

Understand the ¼-bridge compensation calculation step by step based on a practical example.

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2.2 惠斯登电桥和多线制电路

使用自补偿应变片,连接到半桥或全桥电路或是三线或四线电路是补偿的另一重要方法,其可以最小化甚至完全消除电缆电阻产生的影响。

惠斯登电桥电路将极小的电阻变化转换为可测量的电压。 四个电阻可以由一个(四分之一桥电路),两个(半桥电路)或四个(全桥电路)应变片代替。

Temperature Compensation with Wheatstone Bridge Circuit由于在惠斯登电桥中各个桥臂不同,所以有补偿的可能性。 该温度补偿效果可以基于弯曲梁的示例来证明:在正负载下,弹性体在顶部为正应变应(+)和底部负应变( - )。

如果两个应变片连接到惠斯登电桥,结果是将信号加倍。 如果发生温度依赖性应变,产生的应变将出现在两个应变片上,并具有相同的信号。 因此效应可以在惠斯登电桥中相互抵消。


可以通过三线电路选择性地补偿电缆电阻的影响。 为了做到这一点,电源线和另外三个引线连接到惠斯通电桥的不同桥臂上。 由于两个电缆由于结构的对称性而相反,因此相互补偿,除了是不对称电缆和温度梯度,电缆电阻都可由三线电路补偿。

均由通过 HBM 专利四线电路所有的电缆效应都可补偿。

2.3 计算补偿

对于自补偿应变片的残余误差,对于未经调整的应变片误差,以及其他小误差(例如 K 系数的温度依赖性),可以进行计算补偿。

为了做到这一点,温度同属测量,并通过在线或随后计算的通道校正来测量的应变。 同时也必须考虑温度梯度。 如有必要,必须提供多个测量点。 来自HBM的catman®等软件工具提供计算补偿的功能。

2.4 使用载频放大器

除了传感器本身,放大器在温度影响方面也起着重要的作用。 这尤其适用于热电电压:

由于热电效应,在连接不同材料的情况下会产生温度依赖性电压。 热偶利用这种效果。 然而,这也对应变测量系统(温度依赖性零误差(零点返回))产生影响。

可以通过使用载频放大器来补偿热电压 (HBM QuantumX MX1615B / QuantumX MX1616B)。 在这种情况下,存在正弦激励电压,使得测量信号可以被调制成周期信号。 在信号通过滤波器之后,数字地进行解调,使得准静态热电电压可以在放大器中被滤除。

检查清单:应变片温度补偿要点

根据影响量,可以使用各种选项来最小化温度对测量结果的影响。 以下是您的降低温度影响清单:

  • 使用自补偿应变片
  • 使用带有三线或四线电路的惠斯登电路
  • 使用载频放大器消除热电电压
  • 采用计算补偿:同时进行温度测量
  • 了解应变计和粘合剂的温度极限

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