高溫電阻應變片特性參數標定實驗研究

張佳明，王文瑞，聶 帥

（北京科技大學機械工程學院，北京 100083）

0 引 言

高溫應變測量技術在航空航天、化學、冶金工業等方面的應用日益普遍，高溫環境對應變精準測量的影響往往成為技術難點，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據的準確性[1]。高溫條件下應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用等方面考慮，接觸式高溫應變測量仍是最直接、應用最廣泛、最有效的應力應變測量技術[2]。

沈觀林在文獻[3]中列舉了在電廠高溫管道三通熱態工況下的應變測試、核電廠結構構件高溫高壓下的應變測試、核電廠安全殼結構整體性試驗以及新核反應堆運行中壓力殼和管道首期應變測試方案等應用實例，這些工程實例的最高測試溫度為550℃。600℃以上的接觸式高溫應變測量的難點主要表現在測量時由于應變片材質的高溫蠕變、滯后、溫度不能有效補償，應變片熱不穩定性等影響實際測量結果[4]。而國外的高溫應變片只有常溫靈敏度和電阻值兩個參數，其余參數均不提供。所以亟需建立一套高溫應變片標定系統以及相應的標定方法，對高溫應變片在不同溫度下的特性與參數的變化進行標定。

本文建立了高溫應變標定系統，進行了高溫應變片的參數標定研究，為高溫應變測量技術奠定了必要的理論與實驗基礎。

1 標定裝置介紹

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

圖1 標定梁尺寸及加載位置示意圖

根據標定梁的加載方式可知，在梁上兩個加載點之間的應變為

可知標定梁在加載點之間為等應變段，便于多片安裝和同時標定。

標定裝置的結構設計參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應變計》，標定時將指定質量的砝碼加載到標定梁上，在高溫標定時，將撓度加載至指定的載荷[5]。在進行高溫應變標定時撓度加載方式可以通過撓度值直接控制標定梁等應變段的應變值，而與標定梁的材料性質無關。如式（3）所示：

式中：h——標定梁的厚度；

f——標定梁中間位置產生的撓度；

l——梁有效段的長度；

a1——力的加載位置到同側支撐點的距離。

尤其在高溫條件下材料的彈性模量等參數會隨溫度變化，如果采用重量加載的方式將無法得到準確的應變值，而通過撓度加載方式則可以保證標定梁上產生準確的應變值，進而提高標定的精度。

圖2 爐體與加載裝置實物圖

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

2 標定信號采集分析原理介紹

高溫應變測試系統主要由傳感器（電阻應變片、熱電偶）、信號調理器（測量電橋、應變放大器）、數據采集卡和計算機4部分組成，如圖3所示。熱電偶實時測量被測點的溫度；電阻應變片接入電橋，將應變轉換為電壓信號傳輸到應變放大器進行電壓放大和濾波等工作；數據采集卡將調理后的電信號進行采樣、量化和編碼，將模擬信號轉化為數字信號；經過轉換得到的數字信號通過接口送入計算機，由計算機對其進行分析處理。

圖3 信號采集流程圖

3 應變片特性參數標定

3.1 應變靈敏度系數的標定

應變片靈敏度系數決定了應變與橋路輸出之間的關系，是電阻應變片最為重要的系數之一。在測試時，高溫應變片的靈敏度系數會隨著溫度變化而變化[6]，這就需要在測試之前將高溫應變片在不同溫度下的靈敏系數標定出來，在測試時根據溫度變化進行補償，減小由溫度引起的誤差，保證測量的準確度[7]。

在進行標定實驗時，由于有

所以

式中：K0——應變片在室溫下的靈敏系數；

ε0——標定梁的真實應變；

K儀——應變儀設定的靈敏度系數（K儀=2）；

ε示——加載時應變儀測量的指示應變值。

標定梁的真實應變值由式（3）得到，所以只需要加載時的千分表讀數和應變儀的指示應變值，就可得到應變片的靈敏系數。

對應變片進行3次涂膠、固化和一個高溫熱循環處理，完成應變片的固定。

對標定梁加載，加載規程參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應變計》，記錄千分表讀數和采集系統的指示應變，通過式（5）可得應變片的靈敏系數，采集系統數據見圖4。

圖4 常溫靈敏度標定數據采集圖

重復加載3次，計算常溫下應變片平均靈敏系數為

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

從圖5可以看到高溫應變片的靈敏度系數隨溫度升高而降低，當溫度達到800℃時，該應變片的靈敏度系數仍有1.786。測量時，通過熱電偶采集試件表面溫度，根據標定出的靈敏度系數變化曲線對測試數據進行補償，從而提高測量的準確度。

圖5 不同溫度下的靈敏度系數

表1 常溫下應變片靈敏系數

由于應變片靈敏系數標定屬于破壞性檢驗，所以這里對應變片進行抽樣。任意選取6個應變片來推斷總體靈敏系數的平均值和方差，以此來定義該應變片的靈敏度系數精度等級[8]。常溫時6個應變片的靈敏系數見表1。

常溫下，6個應變片的平均靈敏系數為

應變片在常溫下靈敏系數的標準差為

標準差為

所研究的高溫應變片屬于B級準確度。

3.2 機械滯后的標定

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

機械滯后的誤差可以從加載、卸載曲線得出，在進行高溫應變測量時機械滯后的存在必然會給測量的結果帶來誤差，需要對其進行標定。

標定規程同樣參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應變計》。圖6為常溫標定機械滯后時的加載卸載曲線。

同理得到室溫到800℃機械滯后數據，并進行線性擬合，見圖7。

圖6 常溫機械滯后曲線

圖7 不同溫度機械滯后數據及線性擬合曲線

圖7表明，溫度會對應變片的滯后性產生一定影響，機械滯后值隨溫度升高逐漸增大，在進行高溫應變測量時會對測量結果產生影響，需要根據溫度變化進行補償，提高測量精度。

3.3 蠕變的標定

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

標定規程參照GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應變計》，每隔10min記錄一次應變值。各個溫度下應變片蠕變的測定值見表2。

蠕變值隨時間變化逐漸增大，在加載1h后輸出值變化為100με，當溫度升高到800℃時，由于膠層的松弛特性變得更加明顯[10]，蠕變明顯變大。在高溫應變測量時，蠕變必定會對測量結果有一定影響，可通過標定，建立蠕變補償模型，根據測量時間對結果進行補償，提高應變測量精度。

表2 不同溫度的蠕變數據

4 結束語

本文建立了一套完整的高溫應變標定系統，包括溫控系統、加載裝置以及采集系統，應變片固定在等應變標定梁上，對應變片在常溫至800℃下的靈敏度系數、機械滯后和蠕變進行了標定，證明了本文中的高溫應變片在800℃時具有良好的性能，驗證了制片工藝、固定方法以及標定系統、實驗方案的可行性，為同類應變片的實驗提供了依據。

[1]尹福炎.電阻應變計的由來、發展及展望[J].傳感器世界，1998（8）：23-32.

[2]尹福炎.電阻應變片發展歷史的回顧[J].歷史追蹤，2009，38（4）：46-52.

[3]沈觀林.應變電測技術新發展及在反應堆結構等工程中的應用[J].原子能科學技術，2008（42）：681-684.

[4]梁立凱.電阻應變片測量中溫度誤差的補償方法[J].呼倫貝爾學院學報，2001，9（1）：68-69.

[5]GB/T 13992—2010《金屬粘貼式電阻應變計》[S].北京：中國質檢出版社，2010.

[6]徐順飛.靜態應變測量的誤差分析[J].直升機技術，2010（1）：47-51.

[7]李艷，李新娥，裴東興.應變測量系統誤差分析[J].現代電子技術，2008（24）：181-183.

[8]陳惠南.用數理統計方法評定電阻應變計靈敏系數的精度等級[J].實驗力學，1988，3（4）：349-356.

[9]朱子建，劉旭初.電阻應變式稱重傳感器的滯后補償[J].傳感技術學報，2000，29（4）：9-12.

[10]李軍.電阻應變稱重傳感器蠕變的模型和補償 [J].傳感技術學報，1995（3）：59-62.