高溫電阻應(yīng)變片特性參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究

張佳明，王文瑞，聶 帥

（北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

0 引 言

高溫應(yīng)變測量技術(shù)在航空航天、化學(xué)、冶金工業(yè)等方面的應(yīng)用日益普遍，高溫環(huán)境對應(yīng)變精準(zhǔn)測量的影響往往成為技術(shù)難點(diǎn)，需要采取有針對性的措施來保證測試方案的可行性和測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1]。高溫條件下應(yīng)變測量的方法有條紋法、散斑干涉法以及電測法等，從測量精度、使用難易程度以及費(fèi)用等方面考慮，接觸式高溫應(yīng)變測量仍是最直接、應(yīng)用最廣泛、最有效的應(yīng)力應(yīng)變測量技術(shù)[2]。

沈觀林在文獻(xiàn)[3]中列舉了在電廠高溫管道三通熱態(tài)工況下的應(yīng)變測試、核電廠結(jié)構(gòu)構(gòu)件高溫高壓下的應(yīng)變測試、核電廠安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)以及新核反應(yīng)堆運(yùn)行中壓力殼和管道首期應(yīng)變測試方案等應(yīng)用實(shí)例，這些工程實(shí)例的最高測試溫度為550℃。600℃以上的接觸式高溫應(yīng)變測量的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在測量時(shí)由于應(yīng)變片材質(zhì)的高溫蠕變、滯后、溫度不能有效補(bǔ)償，應(yīng)變片熱不穩(wěn)定性等影響實(shí)際測量結(jié)果[4]。而國外的高溫應(yīng)變片只有常溫靈敏度和電阻值兩個(gè)參數(shù)，其余參數(shù)均不提供。所以亟需建立一套高溫應(yīng)變片標(biāo)定系統(tǒng)以及相應(yīng)的標(biāo)定方法，對高溫應(yīng)變片在不同溫度下的特性與參數(shù)的變化進(jìn)行標(biāo)定。

本文建立了高溫應(yīng)變標(biāo)定系統(tǒng)，進(jìn)行了高溫應(yīng)變片的參數(shù)標(biāo)定研究，為高溫應(yīng)變測量技術(shù)奠定了必要的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 標(biāo)定裝置介紹

高溫應(yīng)變標(biāo)定裝置主要由等應(yīng)變標(biāo)定梁和加載裝置組成，標(biāo)定梁以簡支形式置于爐內(nèi)，尺寸及加載方式如圖1所示。

圖1 標(biāo)定梁尺寸及加載位置示意圖

根據(jù)標(biāo)定梁的加載方式可知，在梁上兩個(gè)加載點(diǎn)之間的應(yīng)變?yōu)?/p>

可知標(biāo)定梁在加載點(diǎn)之間為等應(yīng)變段，便于多片安裝和同時(shí)標(biāo)定。

標(biāo)定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)》，標(biāo)定時(shí)將指定質(zhì)量的砝碼加載到標(biāo)定梁上，在高溫標(biāo)定時(shí)，將撓度加載至指定的載荷[5]。在進(jìn)行高溫應(yīng)變標(biāo)定時(shí)撓度加載方式可以通過撓度值直接控制標(biāo)定梁等應(yīng)變段的應(yīng)變值，而與標(biāo)定梁的材料性質(zhì)無關(guān)。如式（3）所示：

式中：h——標(biāo)定梁的厚度；

f——標(biāo)定梁中間位置產(chǎn)生的撓度；

l——梁有效段的長度；

a1——力的加載位置到同側(cè)支撐點(diǎn)的距離。

尤其在高溫條件下材料的彈性模量等參數(shù)會(huì)隨溫度變化，如果采用重量加載的方式將無法得到準(zhǔn)確的應(yīng)變值，而通過撓度加載方式則可以保證標(biāo)定梁上產(chǎn)生準(zhǔn)確的應(yīng)變值，進(jìn)而提高標(biāo)定的精度。

圖2 爐體與加載裝置實(shí)物圖

標(biāo)定爐內(nèi)沿標(biāo)定梁長度方向固定著3根熱電偶，分別采集爐內(nèi)左中右3段的溫度，并通過控制加熱功率來控制爐內(nèi)溫度，可編序控制加熱、降溫及保溫過程，爐內(nèi)溫度誤差不超過2℃。爐體與加載裝置實(shí)物如圖2所示。

2 標(biāo)定信號(hào)采集分析原理介紹

高溫應(yīng)變測試系統(tǒng)主要由傳感器（電阻應(yīng)變片、熱電偶）、信號(hào)調(diào)理器（測量電橋、應(yīng)變放大器）、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)4部分組成，如圖3所示。熱電偶實(shí)時(shí)測量被測點(diǎn)的溫度；電阻應(yīng)變片接入電橋，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳輸?shù)綉?yīng)變放大器進(jìn)行電壓放大和濾波等工作；數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后的電信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)通過接口送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行分析處理。

圖3 信號(hào)采集流程圖

3 應(yīng)變片特性參數(shù)標(biāo)定

3.1 應(yīng)變靈敏度系數(shù)的標(biāo)定

應(yīng)變片靈敏度系數(shù)決定了應(yīng)變與橋路輸出之間的關(guān)系，是電阻應(yīng)變片最為重要的系數(shù)之一。在測試時(shí)，高溫應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)會(huì)隨著溫度變化而變化[6]，這就需要在測試之前將高溫應(yīng)變片在不同溫度下的靈敏系數(shù)標(biāo)定出來，在測試時(shí)根據(jù)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，減小由溫度引起的誤差，保證測量的準(zhǔn)確度[7]。

在進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于有

所以

式中：K0——應(yīng)變片在室溫下的靈敏系數(shù)；

ε0——標(biāo)定梁的真實(shí)應(yīng)變；

K儀——應(yīng)變儀設(shè)定的靈敏度系數(shù)（K儀=2）；

ε示——加載時(shí)應(yīng)變儀測量的指示應(yīng)變值。

標(biāo)定梁的真實(shí)應(yīng)變值由式（3）得到，所以只需要加載時(shí)的千分表讀數(shù)和應(yīng)變儀的指示應(yīng)變值，就可得到應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

對應(yīng)變片進(jìn)行3次涂膠、固化和一個(gè)高溫?zé)嵫h(huán)處理，完成應(yīng)變片的固定。

對標(biāo)定梁加載，加載規(guī)程參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)》，記錄千分表讀數(shù)和采集系統(tǒng)的指示應(yīng)變，通過式（5）可得應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 常溫靈敏度標(biāo)定數(shù)據(jù)采集圖

重復(fù)加載3次，計(jì)算常溫下應(yīng)變片平均靈敏系數(shù)為

同理得到200～800℃的靈敏系數(shù)，并擬合出靈敏系數(shù)隨溫度變化曲線，如圖5所示。

從圖5可以看到高溫應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度達(dá)到800℃時(shí)，該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)仍有1.786。測量時(shí)，通過熱電偶采集試件表面溫度，根據(jù)標(biāo)定出的靈敏度系數(shù)變化曲線對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高測量的準(zhǔn)確度。

圖5 不同溫度下的靈敏度系數(shù)

表1 常溫下應(yīng)變片靈敏系數(shù)

由于應(yīng)變片靈敏系數(shù)標(biāo)定屬于破壞性檢驗(yàn)，所以這里對應(yīng)變片進(jìn)行抽樣。任意選取6個(gè)應(yīng)變片來推斷總體靈敏系數(shù)的平均值和方差，以此來定義該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)精度等級[8]。常溫時(shí)6個(gè)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)見表1。

常溫下，6個(gè)應(yīng)變片的平均靈敏系數(shù)為

應(yīng)變片在常溫下靈敏系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為

標(biāo)準(zhǔn)差為

所研究的高溫應(yīng)變片屬于B級準(zhǔn)確度。

3.2 機(jī)械滯后的標(biāo)定

應(yīng)變片的滯后就是施加同一負(fù)載時(shí)輸出讀數(shù)之間的差值，其中一次是由最小負(fù)荷開始的進(jìn)程讀數(shù)，另一次是由最大負(fù)載開始的回程讀數(shù)。可采用對被測量試件反復(fù)加卸載的辦法來減小機(jī)械滯后量，一般反復(fù)3～5次即可[9]。

機(jī)械滯后的誤差可以從加載、卸載曲線得出，在進(jìn)行高溫應(yīng)變測量時(shí)機(jī)械滯后的存在必然會(huì)給測量的結(jié)果帶來誤差，需要對其進(jìn)行標(biāo)定。

標(biāo)定規(guī)程同樣參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)》。圖6為常溫標(biāo)定機(jī)械滯后時(shí)的加載卸載曲線。

同理得到室溫到800℃機(jī)械滯后數(shù)據(jù)，并進(jìn)行線性擬合，見圖7。

圖6 常溫機(jī)械滯后曲線

圖7 不同溫度機(jī)械滯后數(shù)據(jù)及線性擬合曲線

圖7表明，溫度會(huì)對應(yīng)變片的滯后性產(chǎn)生一定影響，機(jī)械滯后值隨溫度升高逐漸增大，在進(jìn)行高溫應(yīng)變測量時(shí)會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，需要根據(jù)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，提高測量精度。

3.3 蠕變的標(biāo)定

在一定溫度下，應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，而電阻值隨時(shí)間變化的特性稱為應(yīng)變片的蠕變，一般用來衡量應(yīng)變片特性對時(shí)間的穩(wěn)定性，在長時(shí)間測量中其意義更為突出。

標(biāo)定規(guī)程參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)》，每隔10min記錄一次應(yīng)變值。各個(gè)溫度下應(yīng)變片蠕變的測定值見表2。

蠕變值隨時(shí)間變化逐漸增大，在加載1h后輸出值變化為100με，當(dāng)溫度升高到800℃時(shí)，由于膠層的松弛特性變得更加明顯[10]，蠕變明顯變大。在高溫應(yīng)變測量時(shí)，蠕變必定會(huì)對測量結(jié)果有一定影響，可通過標(biāo)定，建立蠕變補(bǔ)償模型，根據(jù)測量時(shí)間對結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，提高應(yīng)變測量精度。

表2 不同溫度的蠕變數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文建立了一套完整的高溫應(yīng)變標(biāo)定系統(tǒng)，包括溫控系統(tǒng)、加載裝置以及采集系統(tǒng)，應(yīng)變片固定在等應(yīng)變標(biāo)定梁上，對應(yīng)變片在常溫至800℃下的靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后和蠕變進(jìn)行了標(biāo)定，證明了本文中的高溫應(yīng)變片在800℃時(shí)具有良好的性能，驗(yàn)證了制片工藝、固定方法以及標(biāo)定系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)方案的可行性，為同類應(yīng)變片的實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)。

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