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                        如何提高應力測試的測量精度 - 第2部分


                        采用誤差補償的應變技術已有幾十年歷史了。但是有多個因素會影響應變測量。本文的主要目的是解釋應力測量的 誤差來源,并闡述了如何在設計階段對 測量的不確定性 進行評估。


                        測量鏈

                        為了便于理解,我們采用了單軸應力測試作為示例。下圖顯示了測量信號的流程。圖中顯示了影響量以及對整個測量鏈的影響。

                        測量對象 (DUT)

                        當被測物體被加載后,將在材料上產生應力 σ,這將產生與 彈性模量成反比 的應變。材料的表面應變可以通過應變片來進行測量。


                        彈性模量表現出不確定度(彈性模量容差)。通過對結構鋼的廣泛檢定,彈性模塊的容差高達4.5%。彈性模量還受到 溫度以及彈性模量溫度系數 的影響。


                        如果應變片被黏貼到 凸出物體表面 (例如彎曲桿) ,測量柵絲的應變將會大于物體表面的應變。


                        黏貼 膠水的厚度 和應變片的結構也會對應變產生微小影響。溫度的變化 ?t 和材料膨脹溫度系數 會引起熱膨脹,其會對 零點有關的測量 產生顯著的影響。


                        安裝

                        理想情況下,測量柵絲的實際應變為:


                        在實際的應用中,盡管非常小心,排列和安裝錯誤等也會發生。應變片作為彈性部件會屈服于機械應變,膠水的流體特性以及自發應變負載后應變片邊緣區域會產生 遲滯效應,因此會產生 輕微的蠕變。 (在傳感器制造過程中,通常通過調節橫向橋路來*小化)。在應力測試過程中,盡管可以通過一些方式可以將蠕變*小化,但通常來說是沒有必要的。但對于彎曲表面安裝,應變誤差會變大(見上文)。


                        如果測量點沒有 充分防潮,膠水和應變片基底會吸收水分,這將會 產生較大的誤差。


                        含水量也影響測量值的穩定性(見下文應變傳感器:絕緣電阻)。尤其是零點有關的測量。測試工程師必須小心觀察和處理,以避免上述負面影響。并且,需要對測量點進行必要地保護,以確保正確的測量結果,尤其是與零點相關的測量。


                        以上描述的所有現象將會導致應變測量柵絲的應變無法和材料應變完全匹配。


                        應變片

                        應變片將應變轉換為測量柵絲的電阻變化,其正比于應變。


                        K 系數的容差和溫度靈敏度 是不確定性的主要因素。


                        還應該注意的是如果應變不均勻分布,測量柵絲將被平均轉換為電阻變化。因此如果錯誤的應變片長度被選擇,測得的應變可能會過大或過小。


                        應變片對溫度的響應會影響零點。尤其是存在較大的溫差或是應變片無法很好匹配材料的熱膨脹系數時。


                        自加熱 (應變片的功率轉換) 有著相似的結果, 因為這將導致材料和應變片之間產生溫差。這也是為何現代測量放大器設置 非常低的激勵電壓 的原因。甚至是非常小的橋路輸出電壓都會被放大器**放大。同時需要指出的,非常薄的材料和散熱非常差的材料也會出現這種情況。


                        頻繁變化的應變,并且大振幅 (> 1500 μm/m)將會使測量柵絲產生疲勞,從而產生零漂。


                        應變片的橫向靈敏度是存在的,但不會產生大的誤差。在單軸應力狀況下,通過對 K 系數的實驗檢定,已經將其考慮在內了。


                        對于應變測量來說,線性誤差(*高可達 1000 μm/m)是可以忽略不計的。


                        潮氣的滲透會降低絕緣電阻,其反過來會產生電阻分流連接到應變片。通常體現為 測量值的不穩定。低歐姆的應變片對濕度和潮濕不敏感。


                        測量放大器

                        到測量放大器的輸入量是應變片電阻的變化。 


                        因為其非常小(大約 1000 μm/m,K 系數為2,應變電阻為 120 Ω,輸出僅有 0.24 Ω), 惠斯通電橋(四分之一橋)的其他三個電阻為固定電阻 (通常在測量放大器中)。全橋或半橋能夠降低測量不確定性,這里將不進行討論。


                        這里僅考慮的是四分之一橋路的應變片。橋路的不平衡和電阻的相對變化采用以下方式描述:


                        實際相關顯示了非常小的非線性,這將在下面更詳細描述。測量放大器為橋路提供供電電壓,放大橋路輸出電壓并產生測量值。


                        這里沒有考慮由于由于 引線電阻,干擾,熱電電壓和測量電路自身引起的測量誤差。這些可以通過一些公知的技術來完全避免(多線制, 增強型 Kreuzer 電路, 屏蔽, 現代 TF 測量放大器)。


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