王文瑞等：高温应变栅丝蠕变对应变测量精度影响与补偿 …89· 加热设备产生的高温流场中的翼等典型部位的高温应 1130 变测量试验.研究在模型内部布置应变计测量内部应 1120 1110 变的方法，以及应变计稳态热输出和瞬时热输出数据 1100 对测量结果的影响：叶迎西等)运用有限元的方法对 1090 1080 高温应变片的热输出进行研究，导出应变片的热输出， 1070 1060 并进行试验验证，对热输出的误差修正提供依据：王文 瑞等[6利用自主研制的自由框架丝栅式应变片开展结 1040 1030 构高温应变测量精度影响因素研究，结合应变片结构 1020 与测量原理，建立高温应变片应变信息传递以及分布 1010 1000 有限元模型，分析对比被测构件与敏感栅丝表面应变 0102030405060 时间/min 场的分布情况，确定高温应变片尺寸参数与使用参数 对应变测量精度的影响因素，为应变片的设计与使用 图1应变片受力作用下的蠕变现象 Fig.1 Creep behavior of the strain gauge under the action of force 提供依据.然而，高温环境下的应变片栅丝性能对测 量结果的精度研究还有待进一步深化，尤其是应变栅 “蠕变”. 丝的高温蠕变等力学行为对应变的测量结果的影响尚 本文所研究的铁铬铝应变栅丝的合金组分为Fe- 未取得有力进展[6-] C25.4-Al5.0,其直径为0.03mm,栅长为11mm,栅间 本文系统运用材料物理学、弹性力学、热力学和工 距为0.6mm,铁铬铝栅丝材料电阻率为1.39×10-6 程测试技术的理论知识以及有限元数值仿真、实验分 m,电阻温度系数为-44×106K‘.灵敏度系数为 析等方法，优选栅丝应变片，通过试验测量高温应变片 2.1,该材料的耐受温度可达到1373K,适用于高温动 以及被测构件的蠕变误差，得出修正补偿模型，使有限 态应变测量 元模拟仿真以验证相关理论和试验的准确性，并最终 将应变栅丝两端连入应变仪中，加载指示应变将 确定应变栅丝蠕变性能等对应变测量精度的影响规 随时间发生变化，即产生蠕变现象.图2所示的受拉 律，为高精度应变栅丝选材提供依据，为应变片制作、 伸载荷作用的应变片，由基底、粘接剂、栅丝、覆盖层和 使用以及优化提供理论依据. 引出线组成，贴于被测试件表面.当拉伸载荷开始作 1应变栅丝高温蠕变机理 用时，粘接剂和基底同时产生一个相反的松弛力，使得 栅丝往回缩短，从而出现负的蠕变误差，之后由于被测 通常情况下，蠕变是指材料在长时间受力和温度 试件、栅丝和基底的弹性后效现象产生正蠕变，两者相 作用下缓慢产生的一种塑性变形.然而对应变片的研 互抵消一部分，其综合作用就是应变片测量系统的常 究表明，随着时间变化，粘贴在受某一恒力的构件上的 温蠕变 应变片会输出随着时间变化的指示应变，图1为常温 假设被测构件与应变片承受的拉应力大小为σ， 下应变片的蠕变变化.这表明在持续受力的过程中， 其产生蠕变误差的过程可用如图3所示的弹簧阻尼模 应变片和构件整体内部产生了后续变形] 型示意，其中左边是未受力的应变片，右边是受力后产 国标GB/T13992一2010对应变片的蠕变测量进 生变形的应变片 行了相关规定，15MPa内对构件加载完毕后，在接下 基底 敏感棚 覆盖层 来持续的1h内每隔10min记录一次指示应变，将每 粘结剂 一次的值减去第一个指示应变，取最大值作为应变片 7777元 777777发777777777777777 的蠕变值[io) 弹性体 事实上，按照国标观察到的蠕变现象并不完全是 材料的塑性应变，在应变电测试验中加载1h后再卸 载力载荷，发现指示应变虽不能够立即回复到零，而是 需要经过一段时间缓慢减小到零值附近，这说明构件 图2应变栅丝蠕变 与应变片产生的是弹性变形，材料受到小于弹性极限 Fig.2 Strain grid creep 的恒定载荷作用时，其弹性变形随时间缓慢增长：载荷 去除后变形不能立即消失，变形的恢复也需要一定的 图3中弹性常数为K的水平拉伸弹簧表示敏 时间，即材料的时滞现象).因此，高温应变栅丝的 感栅丝，弹簧K,表示粘接剂和基底的弹性特性，两 蠕变特性是指夹杂了一部分塑性变形的滞弹性应变现 者的蠕变特性用串联其后的阻尼原件Z表示，阻尼 象，或者称其为滞弹性蠕变，本文对滞弹性蠕变均简称 原件的摩擦系数为以.假设温度等外部环境条件恒王文瑞等: 高温应变栅丝蠕变对应变测量精度影响与补偿 加热设备产生的高温流场中的翼等典型部位的高温应 变测量试验. 研究在模型内部布置应变计测量内部应 变的方法,以及应变计稳态热输出和瞬时热输出数据 对测量结果的影响;叶迎西等[5] 运用有限元的方法对 高温应变片的热输出进行研究,导出应变片的热输出, 并进行试验验证,对热输出的误差修正提供依据;王文 瑞等[6]利用自主研制的自由框架丝栅式应变片开展结 构高温应变测量精度影响因素研究,结合应变片结构 与测量原理,建立高温应变片应变信息传递以及分布 有限元模型,分析对比被测构件与敏感栅丝表面应变 场的分布情况,确定高温应变片尺寸参数与使用参数 对应变测量精度的影响因素,为应变片的设计与使用 提供依据. 然而,高温环境下的应变片栅丝性能对测 量结果的精度研究还有待进一步深化,尤其是应变栅 丝的高温蠕变等力学行为对应变的测量结果的影响尚 未取得有力进展[6鄄鄄8] . 本文系统运用材料物理学、弹性力学、热力学和工 程测试技术的理论知识以及有限元数值仿真、实验分 析等方法,优选栅丝应变片,通过试验测量高温应变片 以及被测构件的蠕变误差,得出修正补偿模型,使有限 元模拟仿真以验证相关理论和试验的准确性,并最终 确定应变栅丝蠕变性能等对应变测量精度的影响规 律,为高精度应变栅丝选材提供依据,为应变片制作、 使用以及优化提供理论依据. 1 应变栅丝高温蠕变机理 通常情况下,蠕变是指材料在长时间受力和温度 作用下缓慢产生的一种塑性变形. 然而对应变片的研 究表明,随着时间变化,粘贴在受某一恒力的构件上的 应变片会输出随着时间变化的指示应变,图 1 为常温 下应变片的蠕变变化. 这表明在持续受力的过程中, 应变片和构件整体内部产生了后续变形[9] . 国标 GB/ T13992—2010 对应变片的蠕变测量进 行了相关规定,15 MPa 内对构件加载完毕后,在接下 来持续的 1 h 内每隔 10 min 记录一次指示应变,将每 一次的值减去第一个指示应变,取最大值作为应变片 的蠕变值[10] . 事实上,按照国标观察到的蠕变现象并不完全是 材料的塑性应变,在应变电测试验中加载 1 h 后再卸 载力载荷,发现指示应变虽不能够立即回复到零,而是 需要经过一段时间缓慢减小到零值附近,这说明构件 与应变片产生的是弹性变形,材料受到小于弹性极限 的恒定载荷作用时,其弹性变形随时间缓慢增长;载荷 去除后变形不能立即消失,变形的恢复也需要一定的 时间,即材料的时滞现象[11] . 因此,高温应变栅丝的 蠕变特性是指夹杂了一部分塑性变形的滞弹性应变现 象,或者称其为滞弹性蠕变,本文对滞弹性蠕变均简称 图 1 应变片受力作用下的蠕变现象 Fig. 1 Creep behavior of the strain gauge under the action of force “蠕变冶. 本文所研究的铁铬铝应变栅丝的合金组分为 Fe鄄鄄 Cr25郾 4鄄鄄Al5郾 0,其直径为 0郾 03 mm,栅长为 11 mm,栅间 距为 0郾 6 mm,铁铬铝栅丝材料电阻率为 1郾 39 伊 10 - 6 m,电阻温度系数为 - 44 伊 10 - 6 K - 1 . 灵敏度系数为 2郾 1,该材料的耐受温度可达到 1373 K,适用于高温动 态应变测量. 将应变栅丝两端连入应变仪中,加载指示应变将 随时间发生变化,即产生蠕变现象. 图 2 所示的受拉 伸载荷作用的应变片,由基底、粘接剂、栅丝、覆盖层和 引出线组成,贴于被测试件表面. 当拉伸载荷开始作 用时,粘接剂和基底同时产生一个相反的松弛力,使得 栅丝往回缩短,从而出现负的蠕变误差,之后由于被测 试件、栅丝和基底的弹性后效现象产生正蠕变,两者相 互抵消一部分,其综合作用就是应变片测量系统的常 温蠕变. 假设被测构件与应变片承受的拉应力大小为 滓, 其产生蠕变误差的过程可用如图 3 所示的弹簧阻尼模 型示意,其中左边是未受力的应变片,右边是受力后产 生变形的应变片. 图 2 应变栅丝蠕变 Fig. 2 Strain grid creep 图 3 中弹性常数为 K1 的水平拉伸弹簧表示敏 感栅丝,弹簧 K2表示粘接剂和基底的弹性特性,两 者的蠕变特性用串联其后的阻尼原件 Z 表示,阻尼 原件的摩擦系数为 滋. 假设温度等外部环境条件恒 ·89·