用于结构试验/耐久性测量的箔式应变片连接电缆

市场上有许多可用于应变片应用的电缆。

测量的成功取决于正确的连接电缆。它们不仅要将测量信号从传感器传输到数据采集系统,而且在使用过程中还要避免干扰信号和抗压力。

理想情况下,电缆不应影响应变测量。然而,实际上,电缆/电线可能会对测量信号产生影响。电缆的影响需要最小化到可接受的水平。在为您的应用选择正确的电缆时,需要考虑以下几点:

镀锡绞线主要用于应变测量。通常采用铜作为导体(作为标准的原因是其具有良好的性价比)。

四分之一桥应变测量信号非常敏感:

  • 应变四分之一桥的典型激励电压为2.5 V
  • 施加在应变片上产生的桥路输出电压非常低

(100µm/m 应变仅对应 0.000125V,2000µm/m 应变对应 0.0025V)。对于典型的四分之一桥应变测量,从下面图表中可见一斑。

测量电压信号不能受到外部信号的干扰。这也是为何要选择正确的测量电缆的原因!

100μm/m 应变信号的桥路输出电压。桥路激励电压(红色)与激励电压(蓝色)相比非常小:


1 电缆的功能

用于传感器和放大器之间的连接

  • 为应变电路提供激励电压
  • 将测量信号从传感器发送到数据采集系统
  • 抵御抗外部信号的干扰

2 对测量电缆的干扰和影响因素


3 应变电缆的要求概览

  • 低电阻(通常)和低电容
  • 良好的绝缘性
  • 优异的机械保护能力
  • 良好的灵活性
  • 适宜的工作温度范围以及对温度变化不灵敏
  • 良好的可焊性
  • 良好的
  • 安全性(阻燃等)
  • 结实,良好的机械性
  • 对不同介质(水、油、溶剂等)的耐用性

4 环境对电缆的要求

涂层和电缆绝缘层是工作温度范围的关键。下图显示了电缆的典型温度范围,通常取决于其涂层。

  • 对于大多数应用,PVC绝缘电缆是合适的;它们提供了极好的性价比(高达80°C)
  • 对于较高温度,TPE电缆是一个不错的选择(高达150°C)
  • 对于更高的温度,我们建议使用PFA电缆(最高250°C)或聚酰亚胺涂层电缆(>300°C)
  • 在低温下,标准电缆会变脆。当进行动态测试时,这一点尤其重要。在这种情况下,建议使用带 PTFE、PI 或玻璃纤维护套的电缆。

环境对电缆有更多的其他要求,如耐不同液体和易燃性。下表概述了典型的电缆护套/绝缘材料及其温度范围:


5 导线直径:

  • 导线的直径对电阻有很大的影响,应变桥路激励电压将产生电流,使导体发热。直径越小,电阻越大,导线上的温度就会越高。
  • 为了尽量减少误差,应使用尽大可能的导线直径,以尽量减少导线电阻和对电缆的热影响。
  • 在某些应用中,为了减少惯性/重量或允许较小的弯曲半径,则需要使用细电缆。
  • 较长的传感器电缆通常需要更大的导线直径。

应变片连接处应使用小直径导线,以减少焊料和应变片上的寄生应力,但必须考虑到这些细导线影响桥路的稳定性和灵敏度。

  • 测量电缆与应变片连接导线之间可用焊接端子进行连接。此方法可将直径较小直径的电缆过渡到直径较大的电缆:

HBM 专利4线技术连接的应变片:

HBM 专利4线技术

只有通过4线电路,或 HBM Kreuzer 专利电路,才能补偿不同的电缆电阻影响。已知电流通过两条引线流经电阻。电阻RKab1处的压降通过两条附加导线进行校正(在高阻抗下)。

Kreuzer 电路测量电阻RKab2上的电压被加到激励电压上,可见,通过完成电阻 Rerg 的电压和电流与电缆电阻无关。电缆引起的零点和灵敏度误差通过此电路进行补偿。

https://www.hbm.com/en/3458/tips-and-tricks-successfully-compensating-for-lead-resistances/

应变片导线处理技巧

1 从连接到应变片导线上剥去5毫米的绝缘层。

2 用焊料在导线端镀锡。

3 修整镀锡导线,使其在焊接后不会延伸到应变片基底(1-3mm,取决于应变片的几何尺寸)。


6 导线数量

单线:应变片和焊接端子之间的连接

3-/4线:用于四分之一桥(仅显示4线)或全桥:

5线:半桥应用

6线:全桥应用


7 电缆长度

  • 在应变片测量中,电缆长度从几厘米到几百米不等
  • 用绞合和屏蔽电缆将电磁干扰降至最低。
  • 一般情况下,保持尽可能短的长度,以尽量减少热干扰和电磁干扰。
  • 对于长距离,选择较大的导体直径,电阻越低,影响越小。
  • 如果用高频和直流传输信号,建议使用低电容电缆。

直流和载频放大器有什么区别?

直流放大器

  • 包含一个发生器,其提供稳定的直流电压,用于向桥路馈电。
  • 将静态和动态信号放大到高频
  • 实践中:通常最大为10 kHz;较高的频率是由不应影响测量信号的干扰脉冲引起的

缺点:干扰(由测量电路中的电场或磁场以及热电和电流电压引起)被完全放大。

  • 测量误差
  • 需要电气或磁屏蔽
  • 或通过热电电压数学校正
     

载频放大器

  • 发生器提供一个电压和频率稳定的交流电压给电桥电路
  • 输出电压=交流电压,其振幅与电桥不平衡成比例(振幅调制
  • 频率选择,以便仅供电电压频率被放大(干扰不产生影响)
  • 通用载频
    • 225赫兹:静态和准静态过程的测量(高达9赫兹)
    • 5千赫:静态和准静态过程的测量(高达1千赫)

缺点:带宽限制

8 恶劣条件下应变片电缆保护

  • 电线和保护涂层之间的防潮连接。因此,需要将覆盖剂与连接电缆材料表面之间的最大粘合。
  • 含氟聚合物电缆应事先蚀刻,以便适当密封测量电缆
  • 建议在水下应用时使用带阻水带的专用电缆(请联系HBM服务团队)
  • 确保电缆保护剂的最小长度以最大限度地延长蠕变距离并确保关键点密封。

9 高动态测量

  • 对于高动态测量,应使用跨接导线。跨接线由柔性绝缘材料包围的细绞线组成。
  • 实心电线只能用于静态测试

10 结论

  • 导线直径尽可能大
  • 使用低电阻低电容电缆
  • 尽可能减少电缆长度
  • 应变片连接使用最小直径导线
  • 根据测试场景选择正确的电缆
  • 使用柔性电缆
  • 使用带导电屏蔽层的电缆
  • 确保屏蔽层正确接地
  • 确保测量信号链的法拉第笼
  • 布线规范
  • 使用绞线
  • 不得在靠近测量电缆敷设电源电缆(电源线与测量信号线90°交叉)
  • 去除噪声源
  • 使用载频放大器
  • 使用正确的滤波器
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