作为任何应变计安装的准备,首先要为测试任务选择合适的应变计,应变计的选择初看十分简单,不似应力分析的关键步骤,而事实恰恰相反,仔细合理地选择应变计的特性和参数会显得十分重要:可针对指定环境和操作条件优化应变计性能、获取准确和可靠的应变测试、最大限度降低应变计安装的整体费用。
应变计的安装和工作特性受到以下参数影响,并可从不同角度予以选择:
• 应变丝合金材质
• 基底材料 ( 载体)
• 丝栅电阻
• 应变计图案
• 温度自补偿编号
• 应变计长度
• 可选项
基本上,应变计的选择过程就是确定与环境及其他操作条件精确匹配的参数,同时确保最佳安装和不受条件制约,所谓的条件制约通常由以下需求而形成,诸如:
• 精度 • 测试持续时间
• 稳定性 • 循环持久性
• 温度 • 安装难易度
• 伸长率 • 环境
在选择应变计时,应变计的本身价格一般不作为考虑的根本因素,因为整个测试装置的整体价格才是有意义的经济测量,而应变计的费用往往只在其中占很小比重。在很多场合,选择应变计的系列和附加性能会增加费用,但却可以降低装置的成本。
在选择应变计的过程中,还必须认识到折衷的重要,这是因为符合某一个制约或需求的参数选择,可能和另一个大相径庭。例如小半径的环状带测试,可供应变计安装的空间非常有限,应变的变化率有非常大,显而易见要选择一种尽可能短小的应变计,然而,长度小于0.125 i n [3 mm ]的应变计,通常最大伸长率较低、疲劳寿命短、稳定性差和安装难度大。另一个经常影响应变计的选择和引起折衷考虑的情况是,如何为日复一日进行应变测试做相应的库存。当折衷不可避免之时,我们必须完全明确为符合应变计安装要求所进行的折衷,会给应力测试带来什么结果。对于在任何特定情况下做出最佳整体折衷,并评判测试数据的精确性与有效性,这种明确的理解是必须的。
这里考虑到的应变计选择标准主要同应力分析的应用相关。应用于传感器弹性体的应变计的选择标准,与这里提及的许多方面非常相似,但对不同应用有显著区别,因此应当区别对待。Vishay Mi cro-Measurements 的传感器应用部门可对这方面的选择提供相关帮助。
2.0 应变计选择参数
2.1 应变感应合金材料
决定应变计工作性能的主要因素是用于制造金属箔栅格的应变感应合金材料。但是,合金材料并非在任何情况下都是一个可以独立选择的参数。这是因为Vishay Micro-Measurements 的每一个应变计系列(以型号的前两或三个字母表示),是被设计成一个完整体系的。这样的体系是由一个特殊的金属箔材与基底的组合所构成,并包括附加的应变计结构组合(诸如覆盖层、引线、焊接点等)。
Vishay Micro-Measurements 供应以下种类的应变计合金材料(以及各自的代表字母):
A: 温度自补偿康铜
P: 退火康铜
D: 等弹性合金
K: 镍-铬合金,温度自补偿改性卡马合金
2.1.1 康铜合金
在所有现代应变计的合金材料中,康铜是历史最悠久的,而且仍是使用最广泛的。这种情况反映了这样一个事实,对于许多应变计的应用而言,康铜具有最佳的整体综合性能。比如,这种合金有一个足够高的应变灵敏度,或灵敏系数(gag e factor),而对于应变级别和温度相对不敏感。其电阻率足够的高,这样即便是很小的栅格也能达到合适的电阻值,并且其电阻的温度系数也不是很大。此外,康铜具有很好的疲劳寿命以及比较大的延长性能。但必须注意,在温度超过+ 150°F [+65°C]的情况下,康铜往往呈现出连续的漂移;在测试持续数小时乃至数天的情况下,应变计的零点稳定性至关重要,这一特性必须被加以考虑。
很重要的是,康铜可被加工为自我温度补偿,以配合各类测试材料的膨胀系数。A合金是按自我温度补偿(S-T-C)的号码00,03,05,06,09,13,15,18,30,40和50来选择,用于同测试材料的对应热膨胀系数(用ppm/ ° F表示)相匹配。
对于测量5%(50,000µ ε) 或更大的应变,退火康铜(P合金)通常是栅格材料的首选。这种康铜拥有很好的延展性,栅长0.125 in [3 mm ] 的应变计,可以达到大于20% 的应变。但是,应当紧记,在高循环应变加载下,在每一个循环周期里,P合金会表现出一些永久的电阻变化,从而造成应变计相应的零点漂移。由于这个特点,为避免应变计在应变重复加载中过早失效的倾向,通常并不建议在循环应变测试中采用P合金。P合金可供选择的自我温度补偿(S-T-C)号码为08和40,分别对应相应的金属与塑料材料。
2.1.2 等弹性合金
当需要测量纯粹的动态应变——也就是说,不需要保证一个稳定的参考零点——等弹性合金(isoelastic,D合金)具有一定的优势。与A合金相比,主要表现在,出色的疲劳寿命,以及更高的灵敏系数(大约3.2)以改善动态测试中的信噪比。
D合金并不能实现自我温度补偿。此外,如图所示(见框中),其热输出非常高(大约8 0 µ ε/ ° F [140µ ε/ ° C] ),使得这种合金往往无法适用于静态应变测量。但是,有的情况下,D合金可应用于需要高输出信号的特殊用途传感器,此时可运用全桥电路来实现适当的温度补偿。
当考虑选择这种栅格材料的时候,D合金的一些其他特性同样应当被指出。比如,它是一种磁阻材料;并且它对应变的反应有些非线性,当应变大小在±5000µ ε 以外时尤其显著。