環(huán)境溫度對(duì)光柵測(cè)微傳感器的影響分析

王珂娜，李尚霖，鄭曉斐，張浩

（西安漢唐分析檢測(cè)有限公司，陜西西安 710000）

1 引言

蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)采用光柵測(cè)微傳感器測(cè)量變形，光柵測(cè)微傳感器是利用光柵的光學(xué)原理工作的測(cè)量反饋裝置。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。光柵測(cè)微傳感器作為高精密測(cè)量?jī)x器，自身的準(zhǔn)確性直接決定了蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的有效性。

光柵尺的制造誤差、溫度特性及機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度直接決定了光柵測(cè)微傳感器的精度[1]。光柵尺的使用環(huán)境導(dǎo)致的誤差主要是指刻劃空氣的溫度、濕度和氣壓值不符合最佳值或者因波動(dòng)而導(dǎo)致激光波長(zhǎng)的誤差，其中溫度對(duì)測(cè)量精度影響最大，其次是大氣壓的影響，濕度的影響較小，故本文主要討論光柵尺的溫度特性。光柵尺的溫度特性是指在測(cè)量時(shí)由于溫度變化產(chǎn)生的變形從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。光柵尺是在 20±0.1℃的溫度下制造的，使用環(huán)境的溫度改變會(huì)影響光柵尺的精度[2]。溫度波動(dòng)對(duì)壓力傳感器的影響主要集中在溫度單獨(dú)作用產(chǎn)生的波長(zhǎng)漂移，對(duì)光柵測(cè)微傳感器測(cè)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響[3]。

受試驗(yàn)環(huán)境晝夜溫差影響，蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，特別對(duì)于長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)及蠕變伸長(zhǎng)率較小的材料，當(dāng)環(huán)境變化超過(guò)±3℃時(shí)，對(duì)光柵測(cè)微傳感器造成的影響必須被考慮，并分析溫度變化對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的有效性有無(wú)影響。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

①試驗(yàn)機(jī)：選用長(zhǎng)春科新制造的持久蠕變電子試驗(yàn)機(jī);

②光柵尺：HEIDENHAIN光柵尺，測(cè)量范圍0～10mm，分辨力0.0001mm；

③GSP-6高精度溫濕度記錄儀

④S型貴金屬熱電偶

2.2 試驗(yàn)樣品

棒材蠕變?cè)嚇印?/p>

2.3 試驗(yàn)條件

①首次試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度為350℃，應(yīng)力水平為90Mpa，100Mpa，120Mpa的條件下進(jìn)行50小時(shí)的蠕變?cè)囼?yàn)，關(guān)閉中央空調(diào)，對(duì)環(huán)境溫度不進(jìn)行干預(yù)。

②二次試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為350℃，應(yīng)力水平為25Mpa的條件下同時(shí)對(duì)2支相同材料的蠕變?cè)嚇舆M(jìn)行100小時(shí)的蠕變?cè)囼?yàn)。

2.4 試驗(yàn)步驟

在持久蠕變電子試驗(yàn)機(jī)旁放置溫濕度記錄儀，測(cè)定在同一材料在相同溫度不同載荷水平下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，光柵測(cè)微傳感器測(cè)得的變形量的變化情況，分析環(huán)境溫度的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 首次試驗(yàn)

表1為環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化情況。溫濕度記錄間隔為15分鐘，為了方便分析觀察只選用一小時(shí)一個(gè)溫度點(diǎn)。

表1 24小時(shí)內(nèi)環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化情況

圖1-3為同一天內(nèi)(0h對(duì)應(yīng)凌晨00:00)，同一材料在相同溫度不同應(yīng)力水平下的蠕變變形-時(shí)間曲線。

圖1 試樣在120MPa時(shí)的變形-時(shí)間曲線

圖2 試樣在100MPa時(shí)的變形-時(shí)間曲線

圖3 試樣在90MPa時(shí)的變形-時(shí)間曲線

環(huán)境溫度變化超出3℃，由表1可見(jiàn)，在對(duì)環(huán)境溫度不進(jìn)行人工干預(yù)的情況下，最大溫差為7.5℃，經(jīng)溫濕度記錄儀監(jiān)測(cè)一天中高溫出現(xiàn)在中午三點(diǎn)前后，可知：在120MPa的應(yīng)力水平下，圖1所示的蠕變變形-時(shí)間曲線比較平滑，蠕變變形量隨著時(shí)間緩慢增加，變形量與溫度變化趨勢(shì)不一致，證明隨著晝夜溫差變化，環(huán)境溫度的變化對(duì)光柵測(cè)微傳感器的讀數(shù)無(wú)影響；在100MPa的應(yīng)力水平下，蠕變變形-時(shí)間曲線中變形量波動(dòng)相對(duì)較大，變形變化趨勢(shì)不明顯，但與溫度變化趨勢(shì)不一致，故環(huán)境溫度對(duì)其無(wú)明顯直接影響；在90MPa的應(yīng)力水平下，蠕變變形-時(shí)間曲線的變形量在13:00前趨于緩慢增加，在16:00后變形量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明環(huán)境溫度的變化對(duì)光柵測(cè)微傳感器的讀數(shù)產(chǎn)生了影響。

3.2 二次試驗(yàn)

為排除材料自身塑性變形的影響，選用接近于初負(fù)荷的試驗(yàn)應(yīng)力，確保在100小時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)基本不發(fā)生蠕變變形，采用與上述相同的材料及試驗(yàn)溫度，在25MPa應(yīng)力下進(jìn)行兩組蠕變?cè)囼?yàn)。

獲得的蠕變變形-時(shí)間曲線如圖4所示，環(huán)境溫度的變化與表1趨勢(shì)一致，故不再列舉。可以看出變形量隨著時(shí)間變化存在周期性的波動(dòng)，且兩組曲線趨勢(shì)一致。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間均為中午兩點(diǎn)，波峰均出現(xiàn)在一天中溫度最高的時(shí)候，波谷出現(xiàn)在溫度最低的時(shí)候。表明在環(huán)境溫度超過(guò)3℃時(shí)，光柵測(cè)微傳感器測(cè)得的變形受溫度影響顯著。但由于低應(yīng)力水平下，對(duì)蠕變變形量產(chǎn)生顯著影響的因素（如試驗(yàn)機(jī)高溫拉桿的形變、設(shè)備力值精度、噪音等）較多，環(huán)境溫度對(duì)光柵測(cè)微傳感器的讀數(shù)影響程度還需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

圖4 2個(gè)相同試樣在25MPa時(shí)的變形-時(shí)間曲線

4 結(jié)論

同一材料在相同溫度不同載荷水平下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，對(duì)光柵測(cè)微傳感器測(cè)得的變形量的變化情況進(jìn)行分析，確認(rèn)溫度對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果有效性的影響。

（1）在應(yīng)力水平較高時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)光柵測(cè)微傳感器的讀數(shù)并無(wú)顯著影響，對(duì)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果的有效性無(wú)影響。

（2）在低應(yīng)力水平下，當(dāng)環(huán)境溫差超過(guò)±3℃時(shí)，極有可能對(duì)光柵測(cè)微傳感器的讀數(shù)造成影響，具體還需要大量的蠕變?cè)囼?yàn)證明。為嚴(yán)格試驗(yàn)條件，排除環(huán)境溫度對(duì)光柵測(cè)微傳感器的讀數(shù)影響，確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性，在低應(yīng)力水平下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境溫度波動(dòng)在3℃以內(nèi)。