高溫動靜態(tài)應(yīng)變測量主要面臨以下的挑戰(zhàn)

一、高溫測量環(huán)境下，普通應(yīng)變計不能區(qū)分哪些是期望得到的機械載荷變化產(chǎn)生的應(yīng)變，哪些是測試材料隨溫度變化產(chǎn)生的膨脹，這種由于熱膨脹造成的應(yīng)變讀數(shù)通常被稱為“視應(yīng)變”或“熱應(yīng)變”。

二、高溫測量環(huán)境下，應(yīng)變計阻值隨溫度變化而變化，變化可能超過橋路的量程，將導(dǎo)致傳統(tǒng)惠斯通電橋無法平衡，從而無法進行測量。

三、高溫測量環(huán)境下，需使用特殊的高溫應(yīng)變計，而且常規(guī)銅材質(zhì)導(dǎo)線不能承受高溫，必須使用具有很高電阻的高溫導(dǎo)線，而高溫下導(dǎo)線電阻隨溫度變化而產(chǎn)生變化，常規(guī)測量方式會導(dǎo)致測量精度和線性度變差，影響測量結(jié)果。

四、高溫測量環(huán)境下，存在較大的靜電噪聲和電磁噪聲，而應(yīng)變計處于非屏蔽工作環(huán)境，對各種干擾源比較敏感，常規(guī)方法測量會導(dǎo)致測量結(jié)果不可用。

 針對以上問題，在高溫環(huán)境下的應(yīng)變計測量，優(yōu)選方式是采用對稱恒流源激勵技術(shù)。

對稱恒流源激勵技術(shù)

對稱恒流源激勵技術(shù)是采用一對匹配的電流源作為應(yīng)變片的激勵源，并使用一個差分放大器來測量應(yīng)變計兩端的電壓值差，如圖1所示。從圖1中可以看出，它使用兩個匹配的電流源形成“推-拉”的結(jié)構(gòu)，一個往應(yīng)變計“灌入”電流，另一個從應(yīng)變計“拉出”電流。這兩個匹配的電流源通過雙絞屏蔽電纜連接到輸入端并流過Rgage應(yīng)變計。這種電路結(jié)構(gòu)在物理和電子學(xué)方面都是對稱的，因此具有很強的共模噪聲抑制能力。另外，根據(jù)雙級功率源共地的特點，應(yīng)變計的直流電壓是對稱的，與單端電流源方法相比，對稱設(shè)計具有兩倍的信號一致性范圍。在4線模式下，高輸入阻抗的應(yīng)變計信號傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應(yīng)變計兩端，由于差分放大器具有高的輸入阻抗，應(yīng)變計測量線上沒有電流流過，因此用于傳輸應(yīng)變計激勵的導(dǎo)線中的電流并不會引起激勵電流的下降，應(yīng)變計測量數(shù)據(jù)將不會受到影響。對動態(tài)測量，2/4-wire開關(guān)可以設(shè)置成2線方式，輸入可以是AC耦合，即只有應(yīng)變計的動態(tài)波動被允許放大。由于差分放大器輸入是一對對稱平衡的差分信號，使得差分放大器具有高的共模噪聲抑制能力，允許使用同一片應(yīng)變計進行靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的測量。

圖1 對稱恒流源連接圖

對稱恒流源激勵技術(shù)的優(yōu)點

優(yōu)點1：采用對稱恒流激勵技術(shù)，因為恒流激勵不會受到電纜長度、阻值的影響，可以保證測量靈敏度和線性度。

優(yōu)點2：對稱布局提供了更多的優(yōu)點：在圖1中我們能看到，就作用于應(yīng)變計和互聯(lián)電纜的干擾噪聲源而言，差分放大器的兩個連接輸入端，無論是物理特性、還是電氣特性，都是對稱的。只要適當(dāng)注意一下布線和接線技術(shù)，兩個對稱的輸入端的噪聲拾取將幾乎相同，因此后端差分放大器將顯著降低對靜電噪聲和電磁噪聲的敏感性。

優(yōu)點3：對稱布局的其它優(yōu)點包括“改善對應(yīng)變片故障情況的容忍度”，以及中點為零點的電流變化范圍，能更好地利用信號調(diào)理器中采用的雙極性電源。

對稱恒流源激勵技術(shù)使用一對匹配的電流源激勵應(yīng)變片，使用一個差分放大器測量應(yīng)變計兩端電壓差，導(dǎo)線電阻對傳遞到應(yīng)變計上的激勵電流沒影響，任何溫度下不會降低應(yīng)變計靈敏度；信號采集器采集的應(yīng)變信號，無需增加通道增益；信號采集器內(nèi)外連接對稱，信噪比改善約40dB。

對稱恒流激勵技術(shù)與傳統(tǒng)恒壓源激勵之間的區(qū)別

傳統(tǒng)惠斯通電橋采用恒壓模式，是應(yīng)變測量常用的方法。在高溫動靜態(tài)應(yīng)變測量中，惠斯通電橋測試法主要產(chǎn)生三種測量不確定度。

（1）    任何載流導(dǎo)線上的電阻都會導(dǎo)致應(yīng)變計靈敏度降低。使用通道增益可以補償降低的靈敏度，但是測量過程中延長線的電阻會隨溫度變化，造成乘常數(shù)測量不確定度。

（2）    惠斯通電橋的連接依靠載流導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)的精確匹配來保持電橋平衡。即使測試過程中這些導(dǎo)線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產(chǎn)生顯著的直流漂移。這種“零漂移”誤差無法從測試件的機械應(yīng)變區(qū)分出來，這樣就造成一個加常數(shù)測量不確定度。

（3）    惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對稱，無法抑制靜電噪聲及環(huán)境電磁噪聲。

圖2示意了用于動態(tài)應(yīng)變測量單臂惠斯通電橋的連接方式。

圖2 單臂惠斯通電橋連接

在圖2中，其零漂主要是由于應(yīng)變計焊接的擴展導(dǎo)線的電阻Rext引起的。

測量靈敏度定義為電路輸出電壓的變化與應(yīng)變計電阻變化的比值。由擴展導(dǎo)線電阻Rext引起的測量靈敏度誤差是兩線連接惠斯通電橋測量較為棘手的問題。

圖3顯示的是100Ω單臂惠斯通電橋與應(yīng)變計連接方式下，測量電橋靈敏度相對于導(dǎo)線電阻Rext的變化曲線。測量靈敏度隨著導(dǎo)線電阻的增加而減小。如果導(dǎo)線電阻已知，靈敏度的下降可以用增加放大倍數(shù)或后處理修正方法進行補償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化很大，則會引起明顯的測量失真。

對稱恒流激勵技術(shù)是一種真正能抑制共模干擾信號的對稱輸入技術(shù), 適用于單臂電橋。橋路的恒流激勵不受導(dǎo)線電阻的影響，長導(dǎo)線測試時不會影響測量靈敏度，如圖3所示。  

圖3 歸一化測量靈敏度與導(dǎo)線電阻Rext的關(guān)系

另外，與單端恒流源激勵方式或傳統(tǒng)的恒壓源激勵方式相比，對稱恒流激勵技術(shù)使測量噪聲大幅度減小。為了測試靜電耦合模型，用一段3米雙絞線電纜連接遠處一個1KΩ的應(yīng)變計上。擴展導(dǎo)線從導(dǎo)管中穿過，緊貼一根未屏蔽的二芯導(dǎo)線，二線導(dǎo)線中通入測試信號，用以表現(xiàn)耦合量級和噪音頻率的關(guān)系。如圖4所示，單端惠斯通電橋或單端恒流的噪聲耦合每倍頻程增加6dB。對于耦合電容約為16.4pF/m的測量結(jié)果是一致的。在所有測試頻率上，對稱恒流激勵方式將有效耦合噪聲削減了約40dB。

圖4 非屏蔽二芯電纜的噪聲耦合測試

漢航VS08板卡

對稱恒流源激勵技術(shù)提供一種使用2/4線連接、單應(yīng)變計方式下精確測量動靜態(tài)應(yīng)變的方法。與單端恒流源或使用單臂惠斯通橋的結(jié)構(gòu)相比，對稱恒流激勵使得應(yīng)變計在任何導(dǎo)線電阻下都能得到精確的激勵，由于高阻抗測量輸入的只是應(yīng)變信號，雙絞線對稱布局接法消除了應(yīng)變計靈敏度下降和零點漂移誤差，而不用擔(dān)心導(dǎo)線的匹配特性。而且由于測量線是對稱的，差分放大器的共模抑制提供了良好的抗噪能力，允許使用同一片應(yīng)變計進行靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)的測量，因此，對稱恒流源激勵是高溫動靜態(tài)應(yīng)變測量的優(yōu)選技術(shù)。

漢航自主研發(fā)的VS08板卡中內(nèi)置應(yīng)變調(diào)理模塊，無需額外配備應(yīng)變調(diào)理模塊來進行應(yīng)力應(yīng)變測量。其采用對稱恒流源技術(shù)，具有限流檢測功能的對稱橋式電源可設(shè)置為±0.5V至±5V，精度為 0.1%；**電流為 20mA；感應(yīng)線保證標稱電橋電壓與電纜長度無關(guān)。除此之外，漢航VS08板卡中還具有以下應(yīng)變調(diào)理指標：

l  電流入射技術(shù)自動橋路平衡：(連續(xù)的平衡電流：0~20mA，步進5mA)，真正的橋路平衡恢復(fù)了標稱電橋阻抗，將高應(yīng)變水平的電橋非線性降至**，而不影響電橋靈敏度。

l  低頻噪聲指標：在2V橋路電壓激勵和應(yīng)變靈敏度為2的情況下（0.1Hz~100Hz）典型0.8μVpp或0.2μEpp。

l  橋路阻值補償：內(nèi)置的可選橋路連接，支持1/4（120、350、1K和用戶自定義），1/2和全橋類型橋路平衡。

l  標定：在正負供電補償線、分流補償線、正負輸入之間采用4個分流校準電阻（±0.12%），模擬應(yīng)變。

l  過載檢測：輸入端模擬過壓檢測及ADC后端數(shù)字過壓檢測。

l  橋路支持：全橋、半橋、半橋旋轉(zhuǎn)和四分之一橋。

漢航VS08板卡關(guān)鍵特性：

l  8通道ICP/電壓/應(yīng)變

l  支持LAN網(wǎng)絡(luò)通信、支持LXI A類總線、支持IEEE1588v2 PTP精密時鐘同步協(xié)議、基于Web的頁面設(shè)置

l  每通道獨立LED狀態(tài)指示

l  內(nèi)置Linux系統(tǒng)、支持在線/離線數(shù)據(jù)采集

l  9-36V直流或PoE供電

l  橋路支持：全橋、半橋、1/4橋，橋路阻值：120Ω、350Ω、1kΩ，支持電流入射技術(shù)進行橋路平衡

l  每通道獨立24位Σ-ΔA/D，每通道獨立采樣頻率204.8kHz

l  支持Linux系統(tǒng)、支持FPGA、內(nèi)置獨立硬件DSP處理

l  支持具有IEEE 1451.4 Class 1類接口的TEDS傳感器

圖5 漢航VS08板卡

通過多種調(diào)理電路技術(shù)，漢航VS08板卡在應(yīng)力應(yīng)變測試方面具有更高的準確性和可靠性。它具有高精度、低噪聲、工作穩(wěn)定等特性，不僅能夠滿足常溫工況下的各種應(yīng)力應(yīng)變測量應(yīng)用，并且在復(fù)雜的高溫工作環(huán)境下依然具有優(yōu)秀的抗電磁干擾性能，具有良好的動靜態(tài)應(yīng)變測量精度和穩(wěn)定性。

應(yīng)用

1、工程機械及制造設(shè)備

起重機、挖掘機、水泥泵車等工程機械的力臂等部位的應(yīng)變應(yīng)力、位移測試；油缸的壓力、位移、溫度、應(yīng)變應(yīng)力綜合測試；機床導(dǎo)軌的殘余應(yīng)力測試。

2、航空航天、高鐵、汽車、輪船等交通設(shè)備

航空發(fā)動機、汽輪機等處于高溫工況下的結(jié)構(gòu)的壓力、溫度、應(yīng)變應(yīng)力綜合測試；車體、輪軸、高壓輸電弓等部位的應(yīng)變應(yīng)力測試。

3、電力、動力工程

電廠設(shè)備的強度測試，如核電站安全殼整體強度測試；水輪機軸及葉片的應(yīng)變應(yīng)力測試；蒸汽管道受熱后的應(yīng)變應(yīng)力、溫度、壓力綜合測試。

4、冶金、石油、化工

鋼錠模表面熱應(yīng)力測試；油罐、壓力容器、管道的壓力、應(yīng)變應(yīng)力測試。