高溫動靜態應變測量主要面臨以下的挑戰

一、高溫測量環境下，普通應變計不能區分哪些是期望得到的機械載荷變化產生的應變，哪些是測試材料隨溫度變化產生的膨脹，這種由于熱膨脹造成的應變讀數通常被稱為“視應變”或“熱應變”。

二、高溫測量環境下，應變計阻值隨溫度變化而變化，變化可能超過橋路的量程，將導致傳統惠斯通電橋無法平衡，從而無法進行測量。

三、高溫測量環境下，需使用特殊的高溫應變計，而且常規銅材質導線不能承受高溫，必須使用具有很高電阻的高溫導線，而高溫下導線電阻隨溫度變化而產生變化，常規測量方式會導致測量精度和線性度變差，影響測量結果。

四、高溫測量環境下，存在較大的靜電噪聲和電磁噪聲，而應變計處于非屏蔽工作環境，對各種干擾源比較敏感，常規方法測量會導致測量結果不可用。

 針對以上問題，在高溫環境下的應變計測量，優選方式是采用對稱恒流源激勵技術。

對稱恒流源激勵技術

對稱恒流源激勵技術是采用一對匹配的電流源作為應變片的激勵源，并使用一個差分放大器來測量應變計兩端的電壓值差，如圖1所示。從圖1中可以看出，它使用兩個匹配的電流源形成“推-拉”的結構，一個往應變計“灌入”電流，另一個從應變計“拉出”電流。這兩個匹配的電流源通過雙絞屏蔽電纜連接到輸入端并流過Rgage應變計。這種電路結構在物理和電子學方面都是對稱的，因此具有很強的共模噪聲抑制能力。另外，根據雙級功率源共地的特點，應變計的直流電壓是對稱的，與單端電流源方法相比，對稱設計具有兩倍的信號一致性范圍。在4線模式下，高輸入阻抗的應變計信號傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應變計兩端，由于差分放大器具有高的輸入阻抗，應變計測量線上沒有電流流過，因此用于傳輸應變計激勵的導線中的電流并不會引起激勵電流的下降，應變計測量數據將不會受到影響。對動態測量，2/4-wire開關可以設置成2線方式，輸入可以是AC耦合，即只有應變計的動態波動被允許放大。由于差分放大器輸入是一對對稱平衡的差分信號，使得差分放大器具有高的共模噪聲抑制能力，允許使用同一片應變計進行靜態和動態數據的測量。

圖1 對稱恒流源連接圖

對稱恒流源激勵技術的優點

優點1：采用對稱恒流激勵技術，因為恒流激勵不會受到電纜長度、阻值的影響，可以保證測量靈敏度和線性度。

優點2：對稱布局提供了更多的優點：在圖1中我們能看到，就作用于應變計和互聯電纜的干擾噪聲源而言，差分放大器的兩個連接輸入端，無論是物理特性、還是電氣特性，都是對稱的。只要適當注意一下布線和接線技術，兩個對稱的輸入端的噪聲拾取將幾乎相同，因此后端差分放大器將顯著降低對靜電噪聲和電磁噪聲的敏感性。

優點3：對稱布局的其它優點包括“改善對應變片故障情況的容忍度”，以及中點為零點的電流變化范圍，能更好地利用信號調理器中采用的雙極性電源。

對稱恒流源激勵技術使用一對匹配的電流源激勵應變片，使用一個差分放大器測量應變計兩端電壓差，導線電阻對傳遞到應變計上的激勵電流沒影響，任何溫度下不會降低應變計靈敏度；信號采集器采集的應變信號，無需增加通道增益；信號采集器內外連接對稱，信噪比改善約40dB。

對稱恒流激勵技術與傳統恒壓源激勵之間的區別

傳統惠斯通電橋采用恒壓模式，是應變測量常用的方法。在高溫動靜態應變測量中，惠斯通電橋測試法主要產生三種測量不確定度。

（1）    任何載流導線上的電阻都會導致應變計靈敏度降低。使用通道增益可以補償降低的靈敏度，但是測量過程中延長線的電阻會隨溫度變化，造成乘常數測量不確定度。

（2）    惠斯通電橋的連接依靠載流導線電阻溫度系數的精確匹配來保持電橋平衡。即使測試過程中這些導線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產生顯著的直流漂移。這種“零漂移”誤差無法從測試件的機械應變區分出來，這樣就造成一個加常數測量不確定度。

（3）    惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對稱，無法抑制靜電噪聲及環境電磁噪聲。

圖2示意了用于動態應變測量單臂惠斯通電橋的連接方式。

圖2 單臂惠斯通電橋連接

在圖2中，其零漂主要是由于應變計焊接的擴展導線的電阻Rext引起的。

測量靈敏度定義為電路輸出電壓的變化與應變計電阻變化的比值。由擴展導線電阻Rext引起的測量靈敏度誤差是兩線連接惠斯通電橋測量較為棘手的問題。

圖3顯示的是100Ω單臂惠斯通電橋與應變計連接方式下，測量電橋靈敏度相對于導線電阻Rext的變化曲線。測量靈敏度隨著導線電阻的增加而減小。如果導線電阻已知，靈敏度的下降可以用增加放大倍數或后處理修正方法進行補償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化很大，則會引起明顯的測量失真。

對稱恒流激勵技術是一種真正能抑制共模干擾信號的對稱輸入技術, 適用于單臂電橋。橋路的恒流激勵不受導線電阻的影響，長導線測試時不會影響測量靈敏度，如圖3所示。  

圖3 歸一化測量靈敏度與導線電阻Rext的關系

另外，與單端恒流源激勵方式或傳統的恒壓源激勵方式相比，對稱恒流激勵技術使測量噪聲大幅度減小。為了測試靜電耦合模型，用一段3米雙絞線電纜連接遠處一個1KΩ的應變計上。擴展導線從導管中穿過，緊貼一根未屏蔽的二芯導線，二線導線中通入測試信號，用以表現耦合量級和噪音頻率的關系。如圖4所示，單端惠斯通電橋或單端恒流的噪聲耦合每倍頻程增加6dB。對于耦合電容約為16.4pF/m的測量結果是一致的。在所有測試頻率上，對稱恒流激勵方式將有效耦合噪聲削減了約40dB。

圖4 非屏蔽二芯電纜的噪聲耦合測試

漢航VS08板卡

對稱恒流源激勵技術提供一種使用2/4線連接、單應變計方式下精確測量動靜態應變的方法。與單端恒流源或使用單臂惠斯通橋的結構相比，對稱恒流激勵使得應變計在任何導線電阻下都能得到精確的激勵，由于高阻抗測量輸入的只是應變信號，雙絞線對稱布局接法消除了應變計靈敏度下降和零點漂移誤差，而不用擔心導線的匹配特性。而且由于測量線是對稱的，差分放大器的共模抑制提供了良好的抗噪能力，允許使用同一片應變計進行靜態和動態數據的測量，因此，對稱恒流源激勵是高溫動靜態應變測量的優選技術。

漢航自主研發的VS08板卡中內置應變調理模塊，無需額外配備應變調理模塊來進行應力應變測量。其采用對稱恒流源技術，具有限流檢測功能的對稱橋式電源可設置為±0.5V至±5V，精度為 0.1%；**電流為 20mA；感應線保證標稱電橋電壓與電纜長度無關。除此之外，漢航VS08板卡中還具有以下應變調理指標：

l  電流入射技術自動橋路平衡：(連續的平衡電流：0~20mA，步進5mA)，真正的橋路平衡恢復了標稱電橋阻抗，將高應變水平的電橋非線性降至**，而不影響電橋靈敏度。

l  低頻噪聲指標：在2V橋路電壓激勵和應變靈敏度為2的情況下（0.1Hz~100Hz）典型0.8μVpp或0.2μEpp。

l  橋路阻值補償：內置的可選橋路連接，支持1/4（120、350、1K和用戶自定義），1/2和全橋類型橋路平衡。

l  標定：在正負供電補償線、分流補償線、正負輸入之間采用4個分流校準電阻（±0.12%），模擬應變。

l  過載檢測：輸入端模擬過壓檢測及ADC后端數字過壓檢測。

l  橋路支持：全橋、半橋、半橋旋轉和四分之一橋。

漢航VS08板卡關鍵特性：

l  8通道ICP/電壓/應變

l  支持LAN網絡通信、支持LXI A類總線、支持IEEE1588v2 PTP精密時鐘同步協議、基于Web的頁面設置

l  每通道獨立LED狀態指示

l  內置Linux系統、支持在線/離線數據采集

l  9-36V直流或PoE供電

l  橋路支持：全橋、半橋、1/4橋，橋路阻值：120Ω、350Ω、1kΩ，支持電流入射技術進行橋路平衡

l  每通道獨立24位Σ-ΔA/D，每通道獨立采樣頻率204.8kHz

l  支持Linux系統、支持FPGA、內置獨立硬件DSP處理

l  支持具有IEEE 1451.4 Class 1類接口的TEDS傳感器

圖5 漢航VS08板卡

通過多種調理電路技術，漢航VS08板卡在應力應變測試方面具有更高的準確性和可靠性。它具有高精度、低噪聲、工作穩定等特性，不僅能夠滿足常溫工況下的各種應力應變測量應用，并且在復雜的高溫工作環境下依然具有優秀的抗電磁干擾性能，具有良好的動靜態應變測量精度和穩定性。

應用

1、工程機械及制造設備

起重機、挖掘機、水泥泵車等工程機械的力臂等部位的應變應力、位移測試；油缸的壓力、位移、溫度、應變應力綜合測試；機床導軌的殘余應力測試。

2、航空航天、高鐵、汽車、輪船等交通設備

航空發動機、汽輪機等處于高溫工況下的結構的壓力、溫度、應變應力綜合測試；車體、輪軸、高壓輸電弓等部位的應變應力測試。

3、電力、動力工程

電廠設備的強度測試，如核電站安全殼整體強度測試；水輪機軸及葉片的應變應力測試；蒸汽管道受熱后的應變應力、溫度、壓力綜合測試。

4、冶金、石油、化工

鋼錠模表面熱應力測試；油罐、壓力容器、管道的壓力、應變應力測試。