惠斯通電橋的三種測(cè)量不確定度來源:
1) 任何載流導(dǎo)線上的電阻(圖1中R wire 1, Rwire 2)都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)靈敏度降低。使用通道增益可以補(bǔ)償降低的靈敏度,但是測(cè)試過程中延長(zhǎng)線的電阻會(huì)隨溫度變化,造成乘常數(shù)測(cè)量不確定度。
2)3線制惠斯通電橋的連接依靠載流導(dǎo)線(wire1, wire 2)電阻溫度系數(shù)(TCR)的精確匹配來保持電橋平衡。即使測(cè)試過程中這些導(dǎo)線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產(chǎn)生顯著的直流漂移。這種“零漂移"誤差無法從測(cè)試件的機(jī)械應(yīng)變區(qū)分出來,這樣就造成了一個(gè)加常數(shù)測(cè)量不確定度。
2) 3線制惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對(duì)稱,無法抑制靜電噪聲。為了消除靜態(tài)測(cè)量時(shí)的噪聲拾取,3線制電路必須使用濾波器充分濾波,因此不適合在嘈雜的環(huán)境中同時(shí)測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信號(hào)。
高溫應(yīng)變測(cè)量的最佳技術(shù)
4線制開爾文連接(<250℃時(shí)的最佳解決方案)采用對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)的4線制開爾文連接,是高溫下使用溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量的最佳方式(<250℃)。恒流激勵(lì)而不是恒壓激勵(lì)的采用使得工作片在任何導(dǎo)線電阻下都能得到精確的激勵(lì)。由于高阻抗感應(yīng)線測(cè)量的只是應(yīng)變信號(hào),4線制連接*消除了應(yīng)變計(jì)靈敏度下降和零點(diǎn)漂移的誤差,而不用擔(dān)心4根導(dǎo)線的匹配特性。由于感應(yīng)線是對(duì)稱的,放大器的共模抑制(CMR)提供了高抗噪能力,允許使用同一片應(yīng)變計(jì)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量。
5線制惠斯通電橋連接(>250℃時(shí)的最佳解決方案)在大約250℃以上的更高溫度下,沒有適宜的溫度自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì)可以使用。視應(yīng)變的補(bǔ)償是通過一個(gè)補(bǔ)償片與工作片的半橋連接來實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償片應(yīng)小心放置,使之處在與工作片相同的熱環(huán)境下,同時(shí)避免機(jī)械過程造成的應(yīng)變。由于補(bǔ)償片暴露在與工作片*相同的熱環(huán)境下,讀數(shù)中的視應(yīng)變部分就在半橋電路中抵消了。3線連接有時(shí)會(huì)被用于調(diào)理遠(yuǎn)端半橋。然而,這種電路也具有同單臂電路一樣的三種不確定度來源:靈敏度降低、零點(diǎn)漂移和抗噪能力差。在較高溫度的情況下,鎳合金導(dǎo)線由于其強(qiáng)度高、耐腐蝕性而被用于應(yīng)變計(jì)的連接。但是這些合金具有非常高的電阻,加劇了上述的所有問題。通過使用兩根額外的導(dǎo)線用于遠(yuǎn)端感測(cè),5線制惠斯通電橋電路確保適當(dāng)?shù)募?lì)傳遞到半橋,并解決了靈敏度降低和零點(diǎn)漂移問題。仍應(yīng)當(dāng)注意的是,5線制半橋電路也容易拾取噪聲,必須在信號(hào)調(diào)理器中充分濾波,因此不適合動(dòng)應(yīng)變測(cè)量。