·1646 工程科学学报，第37卷，第12期 极其重要的价值 响，需要找到它们随温度的变化规律，建立补偿模型对 本文结合高温应变片自身特性，提出高温应变片 测量数据进行修正，提高测量精度 的参数标定方法，并设计高温应变片的参数标定装置， 测量时的指示应ε变可由式(1)给出： 通过建立的标定方法对高温应变片在不同温度下各个 K. (1) 特性参数进行测定，找到各参数随温度变化曲线，利用 8=8K -+8w+8u+8c 数字信号分析手段建立应变结果测量的补偿模型，以 式中，En为整体结构产生的热输出应变，且e。=Et+ 此提高结构在高温下的应变测量精度，为构件的热强 em+E,:K,为高温应变片在对应温度下T下的灵敏度 度寿命等研究提供必要的实验手段 系数：K,为测量时系统初始设定灵敏度系数，一般取 1关键特性参数的确定 K=2. 敏感栅丝 针对接触式高温应变测量，北京科技大学研制了 具有自主知识产权的自由框架丝栅式高温应变片，如 fn+ 777X77777777777777777 图1所示，该应变片由基底、敏感栅与引线组成.基底 粘接剂 弹性体 采用铜合金箔片制成，起到支撑敏感栅，使其保持敏感 图2高温应变片输出信号组成 栅几何形状的作用：敏感栅材料为三相应变合金，它把 Fig.2 Components of high temperature strain gauge output signal 被测结构部件的变形转换成敏感栅的电阻变化，通过 电桥电路变化成电压量输出：引线是为了便于敏感栅 相比于常温应变测量，高温应变测量最显著的差 与外部测量导线固连而设计的专用扁带，有利于保护 别是应变测量过程受到温度的影响，被测体、胶层以及 焊点，避免应力集中.自由框架丝式高温应变片体积 敏感栅丝都会产生热应变，由于三者固定在一起，它们 小，分散度低，具有良好的电阻温度系数，可对室温至 的综合作用决定了敏感栅实际的热应变，再结合敏感 1273K的构件应变进行测量.应变片基本参数如表1 栅材料电阻值随温度的变化，共同表现为应变片热输 所示. 出特性圆 2标定装置设计 2.1结构介绍 根据高温应变片结构与工作特性，建立了高温应 基底 敏感栅 变标定装置，为标定提供均匀的热力环境，如图3所 示.标定装置由加热装置、夹具及加载装置、测量装置 引线 以及固定架组成.三根热电偶沿标定梁长度方向固定 图1自由框架丝栅式高温应变片 在标定炉内，分别采集炉内左中右三段的温度，可编 Fig.1 Free frame wire high temperature strain gauge 程控制加热、降温及保温过程，炉内温度误差不超过 2K.千分表固定在简支梁正下方，通过石英棒测量 表1高温应变片基本参数 Table I Basic parameters of high temperature strain gauge 简支梁中点处的挠度值。高温标定装置主要技术参 数见表2. 栅丝直径/mm 室温阻值/Ω 室温灵敏度系数 0.03 120±1 2.17±5% 高温应变片通过无机磷酸盐粘接剂经高温烘烤固 定在被测试件上.热力耦合环境下，应变片所受载荷 由构件的力载荷与温度载荷组成，应变片将所受载荷 加热装置 加载装置 综合表现为敏感栅电阻值的变化.测量时，应变片的 测量装置 输出信号，即应变片的指示应变，主要由被测试件的机 ,固定架 械应变、热应变以及应变片所受温度载荷引起的输出 加载手轮 组成，如图2所示.其中，s为敏感栅的热应变，e为 高温粘接剂的热应变，ε为被测体的真值应变，8，为被 测体的热应变.在长时间测量时，应变敏感栅还会产 图3高温标定装置示意图 生零漂ε和蠕变输出ε。，共同构成应变片测量指示应 Fig.3 Schematic illustration of the high temperature calibration de- 变.上述应变组分对于测量数据的精确性造成极大影 vice工程科学学报，第 37 卷，第 12 期 极其重要的价值 本文结合高温应变片自身特性，提出高温应变片 的参数标定方法，并设计高温应变片的参数标定装置， 通过建立的标定方法对高温应变片在不同温度下各个 特性参数进行测定，找到各参数随温度变化曲线，利用 数字信号分析手段建立应变结果测量的补偿模型，以 此提高结构在高温下的应变测量精度，为构件的热强 度寿命等研究提供必要的实验手段． 1 关键特性参数的确定 针对接触式高温应变测量，北京科技大学研制了 具有自主知识产权的自由框架丝栅式高温应变片，如 图 1 所示，该应变片由基底、敏感栅与引线组成． 基底 采用铜合金箔片制成，起到支撑敏感栅，使其保持敏感 栅几何形状的作用; 敏感栅材料为三相应变合金，它把 被测结构部件的变形转换成敏感栅的电阻变化，通过 电桥电路变化成电压量输出; 引线是为了便于敏感栅 与外部测量导线固连而设计的专用扁带，有利于保护 焊点，避免应力集中． 自由框架丝式高温应变片体积 小，分散度低，具有良好的电阻温度系数，可对室温至 1273 K 的构件应变进行测量． 应变片基本参数如表 1 所示． 图 1 自由框架丝栅式高温应变片 Fig． 1 Free frame wire high temperature strain gauge 表 1 高温应变片基本参数 Table 1 Basic parameters of high temperature strain gauge 栅丝直径/mm 室温阻值/Ω 室温灵敏度系数 0. 03 120 ± 1 2. 17 ± 5% 高温应变片通过无机磷酸盐粘接剂经高温烘烤固 定在被测试件上． 热力耦合环境下，应变片所受载荷 由构件的力载荷与温度载荷组成，应变片将所受载荷 综合表现为敏感栅电阻值的变化． 测量时，应变片的 输出信号，即应变片的指示应变，主要由被测试件的机 械应变、热应变以及应变片所受温度载荷引起的输出 组成，如图 2 所示． 其中，εwt为敏感栅的热应变，εat为 高温粘接剂的热应变，ε 为被测体的真值应变，εt 为被 测体的热应变． 在长时间测量时，应变敏感栅还会产 生零漂 εzd和蠕变输出 εc，共同构成应变片测量指示应 变． 上述应变组分对于测量数据的精确性造成极大影 响，需要找到它们随温度的变化规律，建立补偿模型对 测量数据进行修正，提高测量精度． 测量时的指示应 ε'变可由式( 1) 给出: ε' = ε Ks KT + εto + εzd + εc ． ( 1) 式中，εto为整体结构产生的热输出应变，且 εto = εwt + εat + εt ; KT 为高温应变片在对应温度下 T 下的灵敏度 系数; Ks 为测量时系统初始设定灵敏度系数，一般取 Ks = 2． 图 2 高温应变片输出信号组成 Fig． 2 Components of high temperature strain gauge output signal 相比于常温应变测量，高温应变测量最显著的差 别是应变测量过程受到温度的影响，被测体、胶层以及 敏感栅丝都会产生热应变，由于三者固定在一起，它们 的综合作用决定了敏感栅实际的热应变，再结合敏感 栅材料电阻值随温度的变化，共同表现为应变片热输 出特性［8］． 2 标定装置设计 2. 1 结构介绍 根据高温应变片结构与工作特性，建立了高温应 变标定装置，为标定提供均匀的热力环境，如图 3 所 示． 标定装置由加热装置、夹具及加载装置、测量装置 以及固定架组成． 三根热电偶沿标定梁长度方向固定 在标定炉内，分别采集炉内左中右三段的温度，可编 程控制加热、降温及保温过程，炉内温度误差不超过 2 K． 千分表固定在简支梁正下方，通过石英棒测量 简支梁中点处的挠度值． 高温标定装置主要技术参 数见表 2． 图 3 高温标定装置示意图 Fig． 3 Schematic illustration of the high temperature calibration de￾vice · 6461 ·