购买应变计放大器时应考虑的 8 个提示

应变计在结构测试和监测应用中用途广泛。您是否能从应变放大器中获得最多信号？在本博客中，我们将分享八条建议，帮助您为数据采集系统选择合适的应变计放大器。

应变片测量可用于哪些应用？

应变计技术在结构测试和监测应用中的应用几乎没有限制，例如汽车和机车车辆工业中的结构部件耐久性测试。应变计技术在航空、军事和航天领域的应用由来已久。应变计直接粘接在结构承重部件上，用于部件和子组件的静态和疲劳测试。在可再生风能行业，应变计技术被用于测试风力涡轮机叶片和轴承的结构性能，以及现场风力涡轮机的结构健康监测。应变计还可用于监测土木工程结构（桥梁、隧道、铁路、水坝）、石油和天然气管道或核电站。

为什么选择合适的应变放大器如此重要？

最常见的应变测量方法是在三线四分之一桥配置中使用单个应变计。这种四分之一桥配置给适当的信号调节带来了特殊的挑战。在选择应变放大器时，必须谨慎从事，因为错误的选择可能会在未来花费更多的时间和金钱。

以下八条建议可帮助您为数据采集系统正确选择应变计放大器。

1.从应变放大器中获取最多信号

四分之一桥电路是单端输入测量，即测量输入信号与模拟地之间的电压。这一差值在通过模数转换器（ADC）之前会被放大。单端输入可能会受到噪声的影响，因为传输信号的导线会接收到任何电气背景噪声。单端输入的信号还可能出现接地回路。最佳做法包括使用箔屏蔽双绞线为应变片布线。将电缆屏蔽的一端连接到信号调节器的底盘接地。考虑增加激励电压的幅度。不过，提高激励电压幅度需要权衡利弊，本博客稍后将对此进行讨论。最后，选择带有 24 位Σ-Δ A/D 转换器的应变放大器–较高的分辨率可降低量化噪声，从而提高信噪比 (SNR)。此外，Σ-Δ模数转换器使用超采样、滤波和噪声整形来实现最高分辨率。即使是小信号电压电平，也能准确放大。

2.测量范围问题

测量放大器为信号调节过程提供精度和稳定性。应变计需要测量放大器来提升来自惠斯通电桥的低电平测量信号，然后再将其送入 ADC。应调整放大器增益，以便在 ADC 的整个量程范围内提供应变计的满量程输出。精度受测量范围和放大器增益精度的影响。现代测量放大器的测量范围可调，增益精度为 ± 0.05 %。测量范围为 ± 2000 µm/m 时，满量程误差仅为 1 µm/m。而用于裂纹检测的 ± 20,000 µm/m 宽测量范围的满量程误差仅为 10 µm/m。因此，在选择应变放大器时，增益精度与可调节的测量范围相结合是需要注意的规格之一。

3.测量应变，而不是温度

如果在环境条件不变的情况下进行测量，在室温下获得的应变被认为是准确的。但是，当温度发生变化时，试样材料会膨胀，这将导致不必要的应变读数。温度变化还会影响金属栅格和应变片的热系数，这一过程称为热输出或温度诱发表观应变。选择自温度补偿（STC）应变片，其设计可以调整应变片的热系数，使其与试样材料的膨胀系数相匹配，从而在很大程度上（但并非完全）补偿热输出。以应变偏移形式存在的残余视应变仍然存在。如果已知量具温度和表观应变特性，则可以计算出该偏移量，并相应补偿应变值。校正或补偿热输出误差的两种常用技术是：(a) 使用非应变假量具进行补偿；或 (b) 根据测量的量具温度进行计算校正。

4.选择最佳电桥激励电压

应变片自热引起的热漂移会导致应变的明显变化，但实际上并非试样变形所致。向应变片提供的激励电压越高，功率越大，通过导线的电流产生的热量就越多。对于热传导性能较差的试样（如复合材料）或使用非常小的应变片时，降低激励电压或使用电阻值更大的应变片至关重要。在选择合适的电桥激励电压水平时，有两个相反的考虑因素：1) 较高的电桥激励电压可提高应变片的信噪比，2) 较低的电桥激励电压可减少应变片测量中的热导误差。激励电压必须与应变片及其粘接材料相匹配。大多数应变片制造商都会提供数据曲线，作为确定最佳激励水平的一般建议或起点。在低温或低温环境中测量应变时，最大限度地减少过多能量以避免传感器散热更为重要。由于信噪比较低，仅仅将激励降至绝对最低并不能解决问题。在这种情况下，提供脉冲电桥激励的应变放大器将有助于最大限度地减少传感器自热引起的误差。

5.注意完成电阻的稳定性

无论是疲劳测试还是结构健康监测应用，应变测量活动都可以持续数周至数月。通常是昼夜进行。在使用四分之一桥电路时，环境温度变化是造成测量误差的最常见原因之一。由于有源应变计和无源电桥完成电阻是串联切换的，因此电阻漂移会直接影响测量精度。与温度相关的电阻变化只要达到 0.1%，就会导致 500 µm/m 的伸长率。电阻温度系数（TCR）是表征桥式完成电阻器稳定性的主要参数之一。TCR 定义了电阻随环境温度变化的函数。TCR 的典型表示方法是 ppm/K，即温度每变化 1 开尔文时的百万分之一。为了节省成本，我们经常使用高 TCR 电阻器，结果造成不必要的误差，或迫使您编制复杂的温度校正曲线。您要避免应变测量变成温度测量！

6.避免因电缆过长而产生测量误差

长电缆有时是不可避免的。将应变片连接到惠斯通电桥的导线电阻会衰减电桥输出或使应变片 “脱敏”。由于衰减是电桥导线长度的函数，因此电缆长度越长，衰减越明显。对于传统应变放大器，在开始测量之前必须执行手动分流校准过程。分流校准过程可确定导线电阻和随后的校正系数。这种方法虽然应用广泛，但无法弥补实际测量过程中导线电阻的变化，例如环境温度波动引起的变化。持续校正导线电阻的一种行之有效的方法是通过内部电桥完成电阻的比率测量传感，即使在测量过程中也能自动校正因导线电阻引起的测量误差。无需手动分流校准，因此也消除了操作员的误差。

7.利用载频技术消除噪音

您的设备附近是否有噪声干扰，甚至可能有电动或交流电机？在测量应变计或应变式传感器等低压信号时，这些都是重要的电噪声源。应变计测量会受到噪声和偏移漂移的困扰，而偏移漂移会随着测量时间的延长而增加。载波频率放大器在这些情况下有很多优势。与直接电压放大器相比，载频放大器的优势在于消除了载频带宽之外的所有频率和后续谐波。这就消除了热电电压噪声、电力线频率以及附近电机的共振频率。这些都是测量工程师在分析前进行初步后处理时从数据集中滤除的主要噪声信号。在实时采集数据时消除这些噪声，可提高测量过程中查看信号的质量，并在用作控制信号时提高信号的完整性。

8.在极端环境中使用光学应变计

基于光纤布拉格光栅（FBG）的光学应变计或光纤应变传感器为在不适合电阻式应变计的恶劣环境中收集高质量应变测量数据提供了另一种方法。当被测物体受到负载时，它能检测到光传输的变化。光学应变计的主要特点是无需电力或激励电压即可工作，因此适合在电磁干扰较强的环境中使用。光学应变计本身具有电隔离功能，是高压位置应变测量的理想选择。光学应变计具有长期的信号稳定性和系统耐用性。即使在高振动负荷下，光学应变计也不易发生机械故障。由于光学传感器的信号衰减极小，因此即使数据采集系统位于数公里之外，数据的完整性仍然很高，这使得光学传感器成为民用和铁路基础设施监测的热门选择。要测量光学应变传感器发出的信号，需要使用光学询问器来测量光学传感器反射光的相关波长，然后将其转换为可理解的工程单位。

如何避免应变测量变成温度测量？

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