應(yīng)變天平零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償研究

中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000

一、引言

風(fēng)洞天平是風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)最基礎(chǔ)、最重要的測(cè)量設(shè)備，風(fēng)洞天平技術(shù)發(fā)展一直被世界各國空氣氣動(dòng)力研究機(jī)構(gòu)所重視[1]。當(dāng)前，中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心肩負(fù)著以大型軍/民用運(yùn)輸機(jī)為代表的重點(diǎn)型號(hào)研制需求的巨大挑戰(zhàn)。發(fā)展風(fēng)洞天平研制技術(shù)，能有效提升武器研制效率、質(zhì)量和降低研制風(fēng)險(xiǎn)，提升風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)?zāi)芰退揭殉蔀榛負(fù)屪C(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)的必然選擇。

風(fēng)洞天平測(cè)力元件由彈性梁與電阻應(yīng)變片構(gòu)成，彈性梁在感受被測(cè)量時(shí)將產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。粘貼在彈性梁表面的電阻應(yīng)變片將發(fā)生形變，電阻應(yīng)變片上的電阻值也隨之變化，電阻的變化與彈性梁的變形保持一定的線性關(guān)系，進(jìn)而通過相應(yīng)的二次儀表系統(tǒng)即可測(cè)得彈性梁的變形，即為天平輸出信號(hào)[2-3]。由于天平材料和電阻應(yīng)變計(jì)的敏感柵材料溫度系數(shù)、線脹系數(shù)不同，組橋引線長度不一致等綜合因素，導(dǎo)致天平組成電橋后相鄰臂總體溫度系數(shù)有一定差異，實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)溫度變化時(shí)，相鄰橋臂電阻變化量不同，從而使電橋產(chǎn)生不平衡，即產(chǎn)生了零點(diǎn)溫度漂移，影響天平輸出精度。因此，需要對(duì)天平進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償，尤其是在溫度環(huán)境變化較大的風(fēng)洞試驗(yàn)中，對(duì)天平零點(diǎn)溫度補(bǔ)償要求更高[4-6]。

二、天平零點(diǎn)溫度補(bǔ)償研究內(nèi)容與目標(biāo)

通過高精度常規(guī)應(yīng)變天平溫度效應(yīng)試驗(yàn)，包括天平溫度試驗(yàn)設(shè)備研制、天平零點(diǎn)輸出溫度補(bǔ)償技術(shù)研究等內(nèi)容，將天平溫度效應(yīng)修正水平提高到0.05μV/V/℃內(nèi)，從而有利推動(dòng)我國風(fēng)洞應(yīng)變天平測(cè)量不確定度的提高。結(jié)合天平設(shè)計(jì)、應(yīng)變計(jì)粘貼、天平校準(zhǔn)的共同改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)洞常規(guī)應(yīng)變天平整體不確定度水平控制在0.1%以內(nèi)，達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。

三、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償試驗(yàn)設(shè)備

1、高低溫試驗(yàn)箱

高低溫試驗(yàn)箱主要用于天平溫度靈敏度硬件補(bǔ)償試驗(yàn)和天平綜合溫度補(bǔ)償試驗(yàn)以及天平性能測(cè)試。具備溫度控制能力和五個(gè)分量砝碼加載能力，可實(shí)現(xiàn)六分量綜合加載。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)：工作溫度范圍-50℃～150℃；溫度波動(dòng)度±0.2℃；溫度梯度±0.5℃；砝碼加載能力2000N。

2、高精度多通道數(shù)據(jù)采集設(shè)備

主要用于天平信號(hào)采集以及多點(diǎn)溫度測(cè)量及數(shù)據(jù)分析處理，具備信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、軟件分析與處理及顯示等功能。信號(hào)采集包括8通道高精度天平信號(hào)采集，采集精度0.01%；16點(diǎn)溫度信號(hào)采集，分辨率0.05℃。

四、天平零點(diǎn)溫度效應(yīng)及硬件補(bǔ)償研究

應(yīng)變天平在空載狀態(tài)下，當(dāng)接入供橋電壓后，天平每一個(gè)通道有一定的毫伏信號(hào)輸出，即為天平輸出零點(diǎn)輸出信號(hào)。零點(diǎn)輸出受環(huán)境溫度影響隨環(huán)境溫度變化而變化，這就是應(yīng)變天平的零點(diǎn)溫度漂移。引起零點(diǎn)溫度漂移的主要是應(yīng)變天平與電阻應(yīng)變計(jì)的敏感柵材料溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、組橋引線長度不同等因素綜合作用，導(dǎo)致天平橋路相鄰臂總體溫度系數(shù)有一定差異，當(dāng)溫度變化時(shí)，相鄰臂電阻變化量不同，從而使惠斯通電橋產(chǎn)生不平衡，即產(chǎn)生了零點(diǎn)溫度漂移[7]。

1、天平零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償[8-9]

與測(cè)力傳感器一樣，應(yīng)變天平零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償通常是在采用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)的基礎(chǔ)上，采用在橋路中串聯(lián)電阻的方法進(jìn)行硬件溫度補(bǔ)償。

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)方法不斷調(diào)整補(bǔ)償電阻阻值，降低零點(diǎn)溫漂，減小溫度對(duì)零點(diǎn)輸出的影響。補(bǔ)償電阻通常采用溫度系數(shù)較大的鎳絲、細(xì)銅絲等繞制，也可以選用特定阻值的鎳材質(zhì)箔式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償原理如圖1所示。

惠斯通全橋電路，零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償電阻計(jì)算公式為：

式中：ΔU— 信號(hào)輸出，mV；

R—橋臂電阻，Ω；

Uo—供橋電壓，V；

Δt—溫度變化，℃；

Rt—補(bǔ)償電阻，Ω；

?m—補(bǔ)償絲電阻溫度系數(shù)，1/℃；

?g— 應(yīng)變計(jì)電阻溫度系數(shù)，1/℃。

2、天平零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償試驗(yàn)[10-11]

試驗(yàn)中主要選用了φ0.06mm圓銅漆包線、φ0.1mm鎳絲、φ0.1mm鎳鉻絲、鎳箔補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)完成零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。

補(bǔ)償過程中，針對(duì)常用的常溫應(yīng)變計(jì)和中溫應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償進(jìn)行研究，常溫應(yīng)變計(jì)溫度補(bǔ)償溫度為-10℃～70℃，按照20℃一個(gè)梯度的溫度變化；中溫應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償溫度為-30℃～120℃，按照30℃一個(gè)梯度的溫度變化。補(bǔ)償計(jì)算為兩點(diǎn)補(bǔ)償法，采用圓銅漆包線和鎳絲完成常溫應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償研究，鎳鉻絲和鎳箔補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)完成中溫應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償研究。見表1、表2列出溫度補(bǔ)償前后溫度效應(yīng)，圖2、圖3為補(bǔ)償前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化曲線。

表1 補(bǔ)償前天平零點(diǎn)溫度效應(yīng) 單位：V/V/℃

表2 補(bǔ)償后天平零點(diǎn)溫度效應(yīng) 單位：V/V/℃

3、補(bǔ)償電阻接入方式研究

圖1給出惠斯通橋路零點(diǎn)補(bǔ)償原理圖中，通常情況下，補(bǔ)償電阻Rt接入橋臂AB之間和接入對(duì)臂CD之間對(duì)電橋輸出產(chǎn)生的影響是一樣的，試驗(yàn)中采用補(bǔ)償電阻互換橋臂和分橋臂補(bǔ)償，驗(yàn)證其補(bǔ)償效果。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用性能較為穩(wěn)定的單分量傳感器。使用同一批次的細(xì)銅絲，并且相同的長度組成惠斯通電橋，測(cè)量其溫度輸出信號(hào)（見表3初始輸出）。將初始試驗(yàn)測(cè)量得到ΔU代入公式（1）計(jì)算出補(bǔ)償電阻絲Rt長度L。驗(yàn)證補(bǔ)償絲L引入橋臂AB和CD的輸出，并驗(yàn)證補(bǔ)償絲L/2對(duì)稱補(bǔ)償至AB和CD之間的輸出。測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 傳感器補(bǔ)償測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：mV

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在保證補(bǔ)償電阻阻值的前提下，補(bǔ)償絲接入橋臂AB與對(duì)橋臂CD，還是均分接入對(duì)橋臂，對(duì)結(jié)果沒有影響，引起的溫度效應(yīng)基本相同。但溫度對(duì)補(bǔ)償絲的直接作用，補(bǔ)償絲的長度決定了溫度帶來的影響，圖4所示，紫色代表單橋臂補(bǔ)償曲線，藍(lán)色代表對(duì)稱補(bǔ)償曲線。從曲線可以看出，單橋臂補(bǔ)償數(shù)據(jù)波動(dòng)較對(duì)稱補(bǔ)償數(shù)據(jù)波動(dòng)大，實(shí)際補(bǔ)償過程中，采取對(duì)稱補(bǔ)償?shù)姆绞叫Ч谩?/p>

五、結(jié)論

通過一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，天平零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償，采用上述四種方法均能達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)，各有優(yōu)缺點(diǎn)：

1、鎳絲和鎳鉻絲焊接難度大，在空間狹小的應(yīng)力梁上，操作更加不方便，使用鎳絲或鎳鉻絲補(bǔ)償，更容易出現(xiàn)虛焊或者焊接不牢，影響天平正常工作。

2、使用應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償，最大的優(yōu)點(diǎn)在于應(yīng)變片能與天平體通過粘貼方式緊密結(jié)合，溫度隨天平體變化而變化，能夠達(dá)到很好的補(bǔ)償效果。在實(shí)際補(bǔ)償過程中，由于補(bǔ)償公式所取的是近似值，一次補(bǔ)償基本不能達(dá)到最終目的，應(yīng)變計(jì)需要進(jìn)行電阻調(diào)節(jié)，甚至重貼。應(yīng)變計(jì)補(bǔ)償可適用于大型號(hào)天平。

3、圓銅漆包線方便焊接和裁剪，通過膠黏劑將補(bǔ)償絲貼合在天平體表面，天平體溫度的變化和補(bǔ)償絲溫度變化基本保持一致，通常情況下選用圓銅絲補(bǔ)償天平靈敏度漂移即可。