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甘纳.通讯

July 27, 2021

购买应变放大器的八个技巧

应变计是电测量技术应用于机械量测量领域中的最重要测量工具之一。顾名思义,它们用于测量应变。

应变计广泛应用于结构测试和监测应用中。您可以从应变放大器中得到最准确最全面的信号吗?在本篇文章中,我们分享八个技巧来帮助您为数据采集系统选择正确的应变放大器。

应变测量可用于哪些测量呢?

应变技术广泛应用于结构测试和监测应用中,例如汽车和机车车辆行业中结构部件的耐久性测试。应变技术长久以来也应用于航空航天、军事和空间技术领域。应变片直接粘合到结构承重部件上,用于对部件和组件进行静态测试和疲劳测试。在可再生风能行业,应变技术被应用于现场测试风力发电机叶片和轴承的结构性能以及风力发电机的结构健康监测。应变片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。

对世界最高吊桥-米洛大桥的结构健康监测

为什么选择正确的应变放大器至关重要呢?

最常见的应变测量方法是在三线制四分之一桥路配置中使用单个应变片。这种四分之一桥配置为正确的信号调节带来了特殊的挑战。谨慎的选择应变放大器的重要性不容低估–错误的选择在未来可能会花费更多的时间和金钱。

这里有八个选择技巧可供参考,可以帮助您在数据采集系统中正确的选择应变放大器。

 

1. 从应变放大器中获取更多的信号

四分之一桥路使用单端输入测量模式进行测量,这意味着要测量输入信号和模拟地之间的电压差。然后,在通过模数转换器(ADC)之前,该电压差需要进行放大。单端输入可能会收到噪声的影响,因为承载信号的线缆会拾取任何背景噪音。单端输入上的信号也可能收到接地环路的影响。最佳做法包括使用带有铝箔屏蔽层双绞线电缆连接应变片。

三线制四分之一桥电路图

将电缆屏蔽层的一端连接到信号调理器的接地端子上。考虑增加激励电压的幅度。然而,信号品质与增加激励电压幅度有关,这将在本篇文章后面讨论。最后,选择带有24位Sigma-Delta A/D转换器的应变放大器-分辨率越高,量化噪声越低,信噪比(SNR)越高。此外,Σ-Δ  ADC通过使用过采样、滤波和噪声整形技术来实现最高分辨率。甚至可以准确地放大小信号电压电平。

 

2. 测量范围很重要

测量放大器在信号调理过程中提供精度和稳定性。应变计需要测量放大器来增强来自惠斯通电桥的低电平测量信号,然后再将它们传递到模数转换器(ADC)。应当调整放大器增益以在模数转换器( ADC) 的整个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。更先进的测量放大器提供增益精度为 ±0.05 % 的可调测量范围。±2000 µm/m 的测量范围将引起仅 1 µm/m 的满量程误差。用于裂纹检测的±20,000 µm/m 的宽测量范围的满量程误差仅为10 µm/m。因此,增益精度与可调测量范围的结合是选择应变放大器时需要注意的事项之一。

 

3. 测量的是应变,而不是温度

假定在不变的环境条件下测量,从室温测量获得的应变数据被认为是准确的。 但是当温度发生变化时,试样材料会膨胀,这会导致出现不需要的应变读数。温度变化还会影响金属栅和应变计的热系数,这一过程称为热输出或温度引起的表观应变。 选择一种自温度补偿 (STC) 应变片,该应变片旨在调整应变片的热系数以在最大程度上(但不是完全)匹配试样材料的膨胀系数,以补偿热输出。但以应变偏移形式存在的残余表观应变仍然存在。如果已知应变片温度和表观应变特性,则可以计算该偏移,并相应地补偿应变值。校正或补偿由热输出引起的误差的两种常用技术: (a) 使用不测量真实样件应变的应变片进行补偿或 (b) 基于测量的应变计温度应用计算校正。

 

4. 选择最佳的桥路激励电压

由于应变计自热引起的热漂移导致应变值的明显变化,这实际上不是由于试样本身变形造成的。提供给应变计的激励电压越高,功率越大,通过导线的电流产生的热量也就越多。对于导热性差的样品,如复合材料,或者当使用非常小的应变片时,降低激励电压或使用具有更高电阻的应变计是至关重要的。在选择合适的桥路激励电压电平时,存在两个相互矛盾的地方:1) 较高的桥路激励电压可提高应变计的信噪比,2) 较低的桥路激励电压可减少应变计测量中的热感应误差。激励电压必须与应变计和它所连接的材料相匹配。大多数应变计制造商提供的数据曲线代表一般性建议或确定最佳激励水平的起点。在低温或低温环境中测量应变时,最大限度地减少过多热量以避免传感器需要进行散热更为重要。仅仅将激励电压降低到绝对最小值并不是根本解决方案,这样会造成较低的信噪比。在这种情况下,提供脉冲形式桥路激励的应变放大器将有助于最大限度地减少由于传感器自热引起的误差。

5. 关注桥路补偿电阻的稳定性

无论是疲劳测试还是结构监测应用,应变测量过程可以持续数周到数月。经常会昼夜交替。使用四分之一桥路时,环境温度的变化是导致测量误差的最常见原因之一。由于活动应变片和非活动桥路补偿电阻串联在一起,电阻漂移直接影响测量精度。与温度相关的电阻变化值小至 0.1 % 可能导致 500 µm/m 的伸长率。电阻温度系数 (TCR) 是表征桥路补偿电阻稳定性的主要使用参数之一。TCR 将电阻的变化定义为环境温度的函数。表征 TCR 的典型方法是 ppm/K,它代表每 1开尔文温度变化引起的电阻自身百万分之几的变化。一般情况下,很多厂家使用具有高 TCR 的电阻器来节省成本,从而导致超出预估的误差或迫使用户编辑复杂的温度校正曲线。您一定要避免将应变测量变成温度测量!

 

6. 避免长线缆的测量误差

长线缆有时是不可避免的。将应变片连接到惠斯通电桥的引线电阻会衰减电桥输出或使应变计“不敏感”。由于衰减是桥路导线长度的函数,因此会随着电缆长度的增加,而受到非常显著的影响。对于传统的应变放大器来说,必须在开始测量前手动执行分流校准过程。分流校准过程决定了引线电阻和随后的校正系数。虽然这种方法应用广泛,但这种方法并不能补偿实际测量过程中引线电阻的变化,例如由于环境温度波动引起的变化。一种行之有效的连续校正引线电阻的方法是通过内部电桥的桥路补偿电阻的比率感测,即使在测量过程中,也能自动校正由于引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失误引起的误差。

 

7. 载频技术消除噪音

您的待测设备附近是否有噪声干扰,可能是电动马达或交流电机?在测量应变或基于应变原理的传感器等低压信号时,这些是电噪声的主要来源。应变计测量受到噪声和偏置漂移的困扰,这些漂移随着测量持续时间的增加而增加。载频放大器在这些应用场景中提供了很多好处。与直流电压放大器相比,它们的优势在于消除了载波频率带宽之外的所有频率和跟随谐波。这样就消除了热电电压噪声、电源线频率和附近电机的共振频率。这些是测量工程师在初始化后处理过程中从数据集中过滤掉的所有主要噪声信号。在实时收集数据时将干扰消除可提高测量期间查看信号的质量,并在用于控制信号时提高信号完整性。

 

 

8. 在极端环境中使用光学应变片

基于光纤布拉格光栅 (FBG) 的光学应变计或光纤应变传感器提供了一种替代方法,可在不适合电阻应变计的恶劣环境中收集高质量的应变测量值。当附着的物体承受负载时,它会检测出光传输的变化。光学应变计的主要特点是它们不需要电源或激励电压即可工作,因此适用于存在高水平电磁干扰的环境。光学应变计本质上是电隔离的,非常适合高电压位置的应变测量。光学应变计提供长期信号稳定性和系统耐用性。即使在高振动负载下,也很少受到机械故障的影响。由于光学传感器仅经历很小的信号衰减,因此即使数据采集系统位于几公里之外,数据的完整性仍然很高,这使光学传感器成为土木和铁路基础设施监测的热门选择。要测量来自光学应变传感器的信号,您需要一个光学解调仪来测量光学传感器反射的光的波长,然后将其转换为可用的工程单位。

如何避免您的应变测量变成温度测量?

请下载我们的免费白皮书,了解选择正确的桥路补偿电阻的重要性。
此外,您将学习到如何使用我们的载频技术降低噪声并自动补偿由于过长测传感器线缆而引起的测量误差。

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Author: Stephan Ploegman

Stephan Ploegman is Gantner Instruments business developer in Aerospace & Structural Testing

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