王文瑞等：高温应变片关键参数标定方法 ·1649· 如图10所示. 度恒定时指示应变随时间变化，称为应变片蠕变.研 究表明，蠕变误差是严重影响应变测试精度及长期稳 定性的一个不能忽略的因素. 2 应变片的蠕变可归咎于粘接剂和应变片基底所构 0 成的应变传递层的流变学特性.如图11所示，假设应 1 1000 800600 温度K 40001020广3040060 变片承受的拉伸应力为σ，则受拉伸的敏感栅相当于 时间/min 一个被张紧的弹簧，而粘接剂和应变片基底材料受到 一个相反的松弛力，使敏感栅往回缩短，产生一个负的 图10不同温度及时间下零漂数据及拟合图 Fig.10 Fitting picture of zero-drift values at different temperatures 蠕变误差.假设应变片的敏感栅用具有弹性常数A的 and time 拉伸弹簧L,表示，粘接剂和基底材料的弹性特性用具 有弹性常数B的剪切弹簧L,表示，粘接剂和基底材料 零漂数据虽然波动水平较大，但总体数值较小，在 的蠕变用具有摩擦系数R的阻尼元件Z表示.通过分 数据处理时根据温度以及测量时间对其进行补偿，如 析拉伸弹簧L,和剪切弹簧L,的交点G的状态，可以得 式(11)所示： 到相对蠕变为 8=8'-Eul (11) 3.4蠕变参数 △e=1-e而 (12) 已安装的应变片，在承受恒定机械应变情况下，温 式中，△e/e为相对蠕变，1为时间 敏感栅 覆盖层 基底 粘接剂 7f777 77777777777777777 弹性体 图11应变传递层及应变片蠕变模型图 Fig.11 Strain transfer layer and creep model diagram of the strain gauge 在标定时待环境温度稳定后，在15s内将标定梁 4 采用位移家在方式，加载到产生103应变时保持恒 实验算例 定，加载1min之内测量，然后每隔l0min记录一次数 进行高温应变测量实验，验证误差修正模型的补 据，总共记录1h,将每次应变记录值与第一次应变记 偿精度.测试环境温度为常温至1273K,对简支梁定 录值作差，作为该温度该时间下的蠕变值.对多组应 位移加载，产生103的真值，测试系统的指示应变值 变片蠕变特性进行标定，得到蠕变随温度、时间的变化 如图13所示 规律，如图12所示. 按照式(1)对测量的指示应变进行修正，将高温 指示应变及其补偿结果列于表3.由表中数据可知，基 1.0 于高温应变片关键参数的取得与精度补偿模型的建 0.5 立，使1273K时的平均测量误差降低到13.02%. 0 1000 60 5结论 800600 温度K 400 01020304050 时间/min 针对自行研制的自由框架丝式高温应变片，建立 图12不同温度和时间下蠕变数据及拟合图 高精度高温应变片参数标定装置，提出适合可行的标 Fig.12 Fitting picture of creep values at different temperatures and 定方法，确定影响应变片测量结果的关键参数.根据 time 提出的关键参数标定方法，开展了一系列标定实验，得 在进行蠕变的标定实验时发现，蠕变数据在指定 到高温应变片的灵敏度系数、热输出、零漂、蠕变特性 温度下有着基本恒定且随时间线性变化的特征，在数 参数随温度变化曲线，并建立了测量的补偿模型，使 据处理时可根据温度与时间对蠕变值进行补偿，如式 1273K时的平均测量误差降低到13.02%，表明提出 (13)所示： 的标定方法准确可行，并可推广到其他形式的高温应 e=8”-ee (13) 变片参数测量中王文瑞等: 高温应变片关键参数标定方法 如图 10 所示． 图 10 不同温度及时间下零漂数据及拟合图 Fig． 10 Fitting picture of zero-drift values at different temperatures and time 零漂数据虽然波动水平较大，但总体数值较小，在 数据处理时根据温度以及测量时间对其进行补偿，如 式( 11) 所示: ε = ε' － εzd ． ( 11) 3. 4 蠕变参数 已安装的应变片，在承受恒定机械应变情况下，温 度恒定时指示应变随时间变化，称为应变片蠕变． 研 究表明，蠕变误差是严重影响应变测试精度及长期稳 定性的一个不能忽略的因素． 应变片的蠕变可归咎于粘接剂和应变片基底所构 成的应变传递层的流变学特性． 如图 11 所示，假设应 变片承受的拉伸应力为 σ，则受拉伸的敏感栅相当于 一个被张紧的弹簧，而粘接剂和应变片基底材料受到 一个相反的松弛力，使敏感栅往回缩短，产生一个负的 蠕变误差． 假设应变片的敏感栅用具有弹性常数 A 的 拉伸弹簧 L1表示，粘接剂和基底材料的弹性特性用具 有弹性常数 B 的剪切弹簧 L2表示，粘接剂和基底材料 的蠕变用具有摩擦系数 Ｒ 的阻尼元件 Z 表示． 通过分 析拉伸弹簧 L1和剪切弹簧 L2的交点 G 的状态，可以得 到相对蠕变为 Δε ε = 1 － e － Bt Ｒ( 1 + B/ A) ． ( 12) 式中，Δε /ε 为相对蠕变，t 为时间． 图 11 应变传递层及应变片蠕变模型图 Fig． 11 Strain transfer layer and creep model diagram of the strain gauge 在标定时待环境温度稳定后，在 15 s 内将标定梁 采用位移家在方式，加载到产生 10 － 3 应变时保持恒 定，加载 1 min 之内测量，然后每隔 10 min 记录一次数 据，总共记录 1 h，将每次应变记录值与第一次应变记 录值作差，作为该温度该时间下的蠕变值． 对多组应 变片蠕变特性进行标定，得到蠕变随温度、时间的变化 规律，如图 12 所示． 图 12 不同温度和时间下蠕变数据及拟合图 Fig． 12 Fitting picture of creep values at different temperatures and time 在进行蠕变的标定实验时发现，蠕变数据在指定 温度下有着基本恒定且随时间线性变化的特征，在数 据处理时可根据温度与时间对蠕变值进行补偿，如式 ( 13) 所示: ε = ε' － εc ． ( 13) 4 实验算例 进行高温应变测量实验，验证误差修正模型的补 偿精度． 测试环境温度为常温至 1273 K，对简支梁定 位移加载，产生 10 － 3 的真值，测试系统的指示应变值 如图 13 所示． 按照式( 1) 对测量的指示应变进行修正，将高温 指示应变及其补偿结果列于表 3． 由表中数据可知，基 于高温应变片关键参数的取得与精度补偿模型的建 立，使 1273 K 时的平均测量误差降低到 13. 02% ． 5 结论 针对自行研制的自由框架丝式高温应变片，建立 高精度高温应变片参数标定装置，提出适合可行的标 定方法，确定影响应变片测量结果的关键参数． 根据 提出的关键参数标定方法，开展了一系列标定实验，得 到高温应变片的灵敏度系数、热输出、零漂、蠕变特性 参数随温度变化曲线，并建立了测量的补偿模型，使 1273 K 时的平均测量误差降低到 13. 02% ，表明提出 的标定方法准确可行，并可推广到其他形式的高温应 变片参数测量中． · 9461 ·