高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量主要面臨以下的挑戰(zhàn)

一、高溫測(cè)量環(huán)境下，普通應(yīng)變計(jì)不能區(qū)分哪些是期望得到的機(jī)械載荷變化產(chǎn)生的應(yīng)變，哪些是測(cè)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(cè)量環(huán)境下，應(yīng)變計(jì)阻值隨溫度變化而變化，變化可能超過(guò)橋路的量程，將導(dǎo)致傳統(tǒng)惠斯通電橋無(wú)法平衡，從而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。

三、高溫測(cè)量環(huán)境下，需使用特殊的高溫應(yīng)變計(jì)，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(cè)量方式會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度和線性度變差，影響測(cè)量結(jié)果。

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

針對(duì)以上問(wèn)題，在高溫環(huán)境下的應(yīng)變計(jì)測(cè)量，最佳方式是采用對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)。

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)是采用一對(duì)完全匹配的電流源作為應(yīng)變片的激勵(lì)源，并使用一個(gè)差分放大器來(lái)測(cè)量應(yīng)變計(jì)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(gè)匹配的電流源形成“推-拉”的結(jié)構(gòu)，一個(gè)往應(yīng)變計(jì)“灌入”電流，另一個(gè)從應(yīng)變計(jì)“拉出”電流。這兩個(gè)匹配的電流源通過(guò)雙絞屏蔽電纜連接到輸入端并流過(guò)Rgage應(yīng)變計(jì)。這種電路結(jié)構(gòu)在物理和電子學(xué)方面都是對(duì)稱的，因此具有很強(qiáng)的共模噪聲抑制能力。

另外，根據(jù)雙級(jí)功率源共地的特點(diǎn)，應(yīng)變計(jì)的直流電壓是對(duì)稱的，與單端電流源方法相比，對(duì)稱設(shè)計(jì)具有兩倍的信號(hào)一致性范圍。在4線模式下，高輸入阻抗的應(yīng)變計(jì)信號(hào)傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應(yīng)變計(jì)兩端，由于差分放大器具有極高的輸入阻抗，因此應(yīng)變計(jì)測(cè)量線上沒(méi)有電流流過(guò)，因此用于傳輸應(yīng)變計(jì)激勵(lì)的導(dǎo)線中的電流并不會(huì)引起激勵(lì)電流的下降，應(yīng)變計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)將不會(huì)受到影響。

對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量，2/4-wire開(kāi)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(jì)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)被允許放大。由于差分放大器輸入是一對(duì)對(duì)稱平衡的差分信號(hào)，使得差分放大器具有極高的共模噪聲抑制能力，允許使用同一片應(yīng)變計(jì)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

圖1 對(duì)稱恒流源連接圖

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)1：采用對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)，因?yàn)楹懔骷?lì)不會(huì)受到電纜長(zhǎng)度、阻值的影響，可以保證測(cè)量靈敏度和線性度。

優(yōu)點(diǎn)2：對(duì)稱布局提供了更多的優(yōu)點(diǎn)：在圖1中我們能看到，就作用于應(yīng)變計(jì)和互聯(lián)電纜的干擾噪聲源而言，差分放大器的兩個(gè)連接輸入端，無(wú)論是物理特性、還是電氣特性，都是對(duì)稱的。只要適當(dāng)注意一下布線和接線技術(shù)，兩個(gè)對(duì)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(duì)靜電噪聲和電磁噪聲的敏感性。

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

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)使用一對(duì)匹配的電流源激勵(lì)應(yīng)變片，使用一個(gè)差分放大器測(cè)量應(yīng)變計(jì)兩端電壓差，導(dǎo)線電阻對(duì)傳遞到應(yīng)變計(jì)上的激勵(lì)電流沒(méi)影響，任何溫度下不會(huì)降低應(yīng)變計(jì)靈敏度；信號(hào)采集器采集的應(yīng)變信號(hào)，無(wú)需增加通道增益；信號(hào)采集器內(nèi)外連接完全對(duì)稱，信噪比改善約40dB。

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)與傳統(tǒng)恒壓源激勵(lì)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(cè)量最普遍的方法。在高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中，惠斯通電橋測(cè)試法主要產(chǎn)生三種測(cè)量不確定度。

（1）任何載流導(dǎo)線上的電阻都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)靈敏度降低。使用通道增益可以補(bǔ)償降低的靈敏度，但是測(cè)量過(guò)程中延長(zhǎng)線的電阻會(huì)隨溫度變化，造成乘常數(shù)測(cè)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(lái)保持電橋平衡。即使測(cè)試過(guò)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(wú)法從測(cè)試件的機(jī)械應(yīng)變區(qū)分出來(lái)，這樣就造成一個(gè)加常數(shù)測(cè)量不確定度。

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

圖2示意了用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)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(jì)焊接的擴(kuò)展導(dǎo)線的電阻Rext引起的。

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

圖3顯示的是100Ω單臂惠斯通電橋與應(yīng)變計(jì)連接方式下，測(cè)量電橋靈敏度相對(duì)于導(dǎo)線電阻Rext的變化曲線。測(cè)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(jìn)行補(bǔ)償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化很大，則會(huì)引起明顯的測(cè)量失真。

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)是一種真正能抑制共模干擾信號(hào)的對(duì)稱輸入技術(shù), 適用于單臂電橋。橋路的恒流激勵(lì)不受導(dǎo)線電阻的影響，長(zhǎng)導(dǎo)線測(cè)試時(shí)不會(huì)影響測(cè)量靈敏度，如圖3所示。

圖3 歸一化測(cè)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(lì)方式或傳統(tǒng)的恒壓源激勵(lì)方式相比，對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)使測(cè)量噪聲大幅度減小。為了測(cè)試靜電耦合模型，用一段3米雙絞線電纜連接遠(yuǎn)處一個(gè)1KΩ的應(yīng)變計(jì)上。擴(kuò)展導(dǎo)線從導(dǎo)管中穿過(guò)，緊貼一根未屏蔽的二芯導(dǎo)線，二線導(dǎo)線中通入測(cè)試信號(hào)，用以表現(xiàn)耦合量級(jí)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(duì)于耦合電容約為16.4pF/m的測(cè)量結(jié)果是一致的。在所有測(cè)試頻率上，對(duì)稱恒流激勵(lì)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(cè)試