應變天平零點溫度漂移補償研究

中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽 621000

一、引言

風洞天平是風洞測力試驗最基礎、最重要的測量設備，風洞天平技術發展一直被世界各國空氣氣動力研究機構所重視[1]。當前，中國空氣動力研究與發展中心肩負著以大型軍/民用運輸機為代表的重點型號研制需求的巨大挑戰。發展風洞天平研制技術，能有效提升武器研制效率、質量和降低研制風險，提升風洞測力試驗能力和水平已成為基地搶抓機遇，迎接挑戰的必然選擇。

風洞天平測力元件由彈性梁與電阻應變片構成，彈性梁在感受被測量時將產生變形，其表面產生應變。粘貼在彈性梁表面的電阻應變片將發生形變，電阻應變片上的電阻值也隨之變化，電阻的變化與彈性梁的變形保持一定的線性關系，進而通過相應的二次儀表系統即可測得彈性梁的變形，即為天平輸出信號[2-3]。由于天平材料和電阻應變計的敏感柵材料溫度系數、線脹系數不同，組橋引線長度不一致等綜合因素，導致天平組成電橋后相鄰臂總體溫度系數有一定差異，實驗過程中，當溫度變化時，相鄰橋臂電阻變化量不同，從而使電橋產生不平衡，即產生了零點溫度漂移，影響天平輸出精度。因此，需要對天平進行零點溫度補償，尤其是在溫度環境變化較大的風洞試驗中，對天平零點溫度補償要求更高[4-6]。

二、天平零點溫度補償研究內容與目標

通過高精度常規應變天平溫度效應試驗，包括天平溫度試驗設備研制、天平零點輸出溫度補償技術研究等內容，將天平溫度效應修正水平提高到0.05μV/V/℃內，從而有利推動我國風洞應變天平測量不確定度的提高。結合天平設計、應變計粘貼、天平校準的共同改進，實現風洞常規應變天平整體不確定度水平控制在0.1%以內，達到或接近國際先進水平。

三、零點溫度補償試驗設備

1、高低溫試驗箱

高低溫試驗箱主要用于天平溫度靈敏度硬件補償試驗和天平綜合溫度補償試驗以及天平性能測試。具備溫度控制能力和五個分量砝碼加載能力，可實現六分量綜合加載。設備主要技術參數：工作溫度范圍-50℃～150℃；溫度波動度±0.2℃；溫度梯度±0.5℃；砝碼加載能力2000N。

2、高精度多通道數據采集設備

主要用于天平信號采集以及多點溫度測量及數據分析處理，具備信號調理、數據采集、數據傳輸、軟件分析與處理及顯示等功能。信號采集包括8通道高精度天平信號采集，采集精度0.01%；16點溫度信號采集，分辨率0.05℃。

四、天平零點溫度效應及硬件補償研究

應變天平在空載狀態下，當接入供橋電壓后，天平每一個通道有一定的毫伏信號輸出，即為天平輸出零點輸出信號。零點輸出受環境溫度影響隨環境溫度變化而變化，這就是應變天平的零點溫度漂移。引起零點溫度漂移的主要是應變天平與電阻應變計的敏感柵材料溫度系數、線膨脹系數、組橋引線長度不同等因素綜合作用，導致天平橋路相鄰臂總體溫度系數有一定差異，當溫度變化時，相鄰臂電阻變化量不同，從而使惠斯通電橋產生不平衡，即產生了零點溫度漂移[7]。

1、天平零點溫度漂移補償[8-9]

與測力傳感器一樣，應變天平零點溫度漂移補償通常是在采用溫度自補償應變計的基礎上，采用在橋路中串聯電阻的方法進行硬件溫度補償。

在理論計算的基礎上，通過試驗方法不斷調整補償電阻阻值，降低零點溫漂，減小溫度對零點輸出的影響。補償電阻通常采用溫度系數較大的鎳絲、細銅絲等繞制，也可以選用特定阻值的鎳材質箔式應變計進行補償。補償原理如圖1所示。

惠斯通全橋電路，零點溫度漂移補償電阻計算公式為：

式中：ΔU— 信號輸出，mV；

R—橋臂電阻，Ω；

Uo—供橋電壓，V；

Δt—溫度變化，℃；

Rt—補償電阻，Ω；

?m—補償絲電阻溫度系數，1/℃；

?g— 應變計電阻溫度系數，1/℃。

2、天平零點溫度漂移補償試驗[10-11]

試驗中主要選用了φ0.06mm圓銅漆包線、φ0.1mm鎳絲、φ0.1mm鎳鉻絲、鎳箔補償電阻應變計完成零點溫度漂移補償實驗。

補償過程中，針對常用的常溫應變計和中溫應變計補償進行研究，常溫應變計溫度補償溫度為-10℃～70℃，按照20℃一個梯度的溫度變化；中溫應變計補償溫度為-30℃～120℃，按照30℃一個梯度的溫度變化。補償計算為兩點補償法，采用圓銅漆包線和鎳絲完成常溫應變計補償研究，鎳鉻絲和鎳箔補償電阻應變計完成中溫應變計補償研究。見表1、表2列出溫度補償前后溫度效應，圖2、圖3為補償前后實驗數據變化曲線。

表1 補償前天平零點溫度效應 單位：V/V/℃

表2 補償后天平零點溫度效應 單位：V/V/℃

3、補償電阻接入方式研究

圖1給出惠斯通橋路零點補償原理圖中，通常情況下，補償電阻Rt接入橋臂AB之間和接入對臂CD之間對電橋輸出產生的影響是一樣的，試驗中采用補償電阻互換橋臂和分橋臂補償，驗證其補償效果。

實驗對象選用性能較為穩定的單分量傳感器。使用同一批次的細銅絲，并且相同的長度組成惠斯通電橋，測量其溫度輸出信號（見表3初始輸出）。將初始試驗測量得到ΔU代入公式（1）計算出補償電阻絲Rt長度L。驗證補償絲L引入橋臂AB和CD的輸出，并驗證補償絲L/2對稱補償至AB和CD之間的輸出。測試數據見表3。

表3 傳感器補償測試數據 單位：mV

通過試驗驗證，在保證補償電阻阻值的前提下，補償絲接入橋臂AB與對橋臂CD，還是均分接入對橋臂，對結果沒有影響，引起的溫度效應基本相同。但溫度對補償絲的直接作用，補償絲的長度決定了溫度帶來的影響，圖4所示，紫色代表單橋臂補償曲線，藍色代表對稱補償曲線。從曲線可以看出，單橋臂補償數據波動較對稱補償數據波動大，實際補償過程中，采取對稱補償的方式效果更好。

五、結論

通過一系列的實驗結果表明，天平零點溫度漂移補償，采用上述四種方法均能達到補償目標，各有優缺點：

1、鎳絲和鎳鉻絲焊接難度大，在空間狹小的應力梁上，操作更加不方便，使用鎳絲或鎳鉻絲補償，更容易出現虛焊或者焊接不牢，影響天平正常工作。

2、使用應變計補償，最大的優點在于應變片能與天平體通過粘貼方式緊密結合，溫度隨天平體變化而變化，能夠達到很好的補償效果。在實際補償過程中，由于補償公式所取的是近似值，一次補償基本不能達到最終目的，應變計需要進行電阻調節，甚至重貼。應變計補償可適用于大型號天平。

3、圓銅漆包線方便焊接和裁剪，通過膠黏劑將補償絲貼合在天平體表面，天平體溫度的變化和補償絲溫度變化基本保持一致，通常情況下選用圓銅絲補償天平靈敏度漂移即可。