不同测试方法下高温应变片热输出分析

刘梓才 喻丹萍 李锡华 卢琰琰 陈学徳 李朋洲

（中国核动力研究设计院 成都 610041）

不同测试方法下高温应变片热输出分析

刘梓才 喻丹萍 李锡华 卢琰琰 陈学徳 李朋洲

（中国核动力研究设计院 成都 610041）

用以夹代焊为热输出的测试方法，揭示对高温应变片热输出的影响。通过分析热输出的影响因素，对高温应变片在安装试件材料和基底材料线膨胀系数不匹配情况下的热输出测试进行了探索。对悬空、夹持、点焊等各种测试方式下的热输出进行了分析比较，利用各种测试方式的特点得到了各种热输出。结果表明：悬空方式下的热输出可以作为高温应变片安装于基底材料上的热输出，为温度变化速率区别于出厂标定温度条件时热输出曲线的获得提供了依据。夹持方式下的热输出可以作为点焊热输出的替代，实现了以夹代焊，节约了成本，而且实现了逐片标定。悬空和夹持方式下热输出的比较揭示了安装试件材料不匹配时不采用实际安装时的热输出曲线会引起较大的误差。在各种热输出测试方法中，夹持方式可以替代点焊方式，实现热输出的逐片标定，并具有较好的热输出准确性。

高温应变片，热输出，测试方法，夹持

高温应变片受温度变化影响，在不受力时输出的应变称为高温应变片的热输出。热输出是电阻式高温应变片最重要的工作特性参数之一，是高温应变测试数据修正的基础，热输出数据的准确度直接影响了高温应变测试的精度。因此，高温应变测试前的一个重要工作之一是进行实际安装条件下高温应变片的热输出测试[1]。影响高温应变片热输出的因素较多，如温升速率[2]、试件材料[3]等。在远不如航天等领域温度变化速率快达每秒几度甚至几十度的场合，温升速率对高温应变片热输出的影响相对较小，而高温应变片实际应用的试件材料影响相对较大。当测试对象的材料和高温应变片栅丝材料线膨胀系数相差较大时，厂家提供的热输出曲线若直接用于实际测试，会产生较大的误差，因此，必须获得实际安装条件下的热输出曲线。高温应变片安装于不同的试件材料上的热输出有理论修正办法[4]，但这种理论修正方法无法解决同批次高温应变片热输出有较大分散度，试件的线膨胀系数也存在分散度而导致热输出有一定分散性，只是在无热输出测试设备和条件时进行较为粗略的修正，起到一定的积极作用。用于热输出测试的高温应变片的安装一般采用胶粘或点焊的方式，这些方式会使高温应变片在测试完后无法再利用，使得热输出测试无法实现逐片测试，且测试成本较高。

对高温应变片在不同安装固定方式下的热输出进行了测试和比较。用“以夹代焊”的方法使高温应变片在测试完后仍可再用，实现热输出的逐片测试，降低了成本，具很大的优势[5]。

1 热输出影响因素

高温应变片的理论热输出公式为：

其中，εT热输出，αT应变片栅丝的电阻温度系数，K应变片的灵敏系数，ΔT为温度变化，βe试件材料的线膨胀系数，βg应变片栅丝的线膨胀系数。因此，热输出主要由栅丝的电阻温度系数随温度的变化以及栅丝和试件材料线膨胀系数间的差异产生。通过控制栅丝的合金成分以及热处理达到改变αT的目的，可以使热输出为零，达到高温应变片的自补偿。这种自补偿与特定的被测物的线膨胀系数βe相对应的，如用在不适用的被测物时，不仅不会补偿温度引起的应变，还会引起较大的测量误差，使自补偿效果不理想。因此，实际测试的材料非高温应变片自补偿对应的那种材料时，有必要针对实际使用条件获得高温应变片的热输出曲线，以避免采用和实际热输出不匹配的出厂热输出曲线，导致较大测量误差。

2 测试用高温应变片

试验用的高温应变片为日本TML公司生产的铠装焊接式全桥自补偿型高温应变片，其点焊固定用基底薄片采用Inconel alloy 600钢制成。其型号的高温应变片每片都有厂家提供的热输出曲线，但缺少热输出测试的详细信息，如：热输出测试时高温应变片的固定方式、温升速率、温度补偿等。因此，厂家的热输出曲线和用户特定条件下高温应变片热输出曲线可能存在较大差异，这种情况需用户结合实际使用条件另行标定热输出，以减小实际热输出差异产生的测试误差。高温应变片价格贵，若采用传统的点焊或高温胶粘固定的方式进行热输出测试，虽能得到完整的热输出曲线，但高温应变片却成为废片，无法取下再用。若用这种破坏式的方式测试几个高温应变片在实际安装材料和温度条件下的热输出来替代批量的高温应变片热输出，则也会产生较大的测试误差。主要是高温应变片的热输出存在很大的分散度，各个高温应变片的热输出值在相同温度下可能相差很多，这种抽样代表的测试会增加高温应变测试的不准确度，增加高温应变测试的难度。鉴于厂方提供了每片高温应变片不同的热输出曲线，说明有办法实现高温应变片的逐片热输出测试和循环再用。

3 测试装置及方法

测试热输出的试验装置为自行研制的高温应变片性能参数测试装置[6]。该装置能测试应变片的热输出、机械滞后、灵敏系数、零漂和蠕变等特性参数。将高温应变片分别处于3种不同的不受力状态，分别是悬空、夹持、点焊。每个高温应变片以全桥方式接入应变仪。采用英国输力强公司的3595型静态应变仪采集应变信号。将高温应变片按不同方式安装固定好后，放入测试装置，进行升温。温度从室温到最高测试温度580 ºC，温升速率1 ºC/min，并根据工程实际情况设有6个温度稳定台阶以利于装置内各处温度场更加均匀。在每个高温应变片上都安装测温热电偶，并将其中一个热电偶作为温控系统的主控热电偶。供测试用高温应变片数量有限，不同安装固定方式下的测试结果只进行最大差值定量比较，以说明安装固定方式产生的差异，不进行统计分析。

4 测试结果及分析

4.1悬空方式热输出测试

悬空是将高温应变片自由悬置于高温环境中。通常出厂热输出测试时要求将应变片固定在一温度均匀的不受力试件上，而且试件的材料和应变片安装基底的材料一致。悬空测试的目的就是要获得高温应变片固定在和基底材料一致的试件上时的热输出，这种方式的优点是高温应变片省去安装固定的麻烦，简单易行，容易测试不同温升速率下的热输出。对编号为HFH22I-06、HFH22I-08的2个高温应变片进行悬空热输出测试，并将得到的热输出曲线和各个高温应变片的出厂热输出曲线绘图比较。悬空热输出和出厂热输出具有很相似的曲线形态，而且热输出曲线都平滑无跳跃点，在各个温度点上的热输出数值也较靠近，悬空和出厂热输出曲线最大差值均在曲线底部，分别为80 με (HFH22I-06)和116 με (HFH22I-08)，见图1。这是由于出厂热输出和悬空热输出在测试时的温升速率、应变片固定方式、温度场等热输出影响因素上存在差异，因此，二者的热输出曲线也存在差异。为使后续测试热输出具有同样的比较基础，将悬空热输出作为出厂热输出的替代比较对象。

图1 HFH22I-06(a)和HFH22I-08(b)悬空热输出与厂家热输出Fig.1 Thermal outputs of hanging and provision for HFH22I-06(a) and HFH22I-08(b).

4.2夹持方式热输出测试

高温应变片在实际使用时并非悬空使用，而是通过胶或点焊固定在试验件上。试验件材料和高温应变片基底材料线膨胀系数的差异会使高温应变片的实际安装后的热输出有别于出厂热输出，因此，有必要得到实际安装时的热输出。但不论是胶粘还是点焊，高温应变片固定后就无法取下再用，因而不宜用这种破坏性的方式进行高温应变片实际安装状态的热输出测试。采用夹具夹持的方式是将高温应变片用夹具固定以模拟高温应变片点焊的固定方式。夹具材料采用高温应变片实际工程安装试验件材料做成。对编号为HFH19I-02、HFH19I-03的2个高温应变片按同样的温度条件分别进行夹持和点焊2种固定方式的热输出测试(图2)，从测试结果看出，2种固定方式的热输出曲线基本重合，差别较小，2个应变片在2种固定方式下的最大差异值为63 με，可以将夹持热输出替代点焊热输出。由于高温应变片价格昂贵，用夹持代替点焊的方式不仅可以逐片获得热输出，而且可以使高温应变片经过标定测试后能再用，有很好的经济性和实用性。

4.3夹持和悬空测试的比较

在相同的温度条件，将出厂热输出和实际安装条件下的热输出之间的差异作比较。将悬空热输出作为出厂热输出的代表，将夹持热输出作为实际安装热输出的代表，对这2种固定方式下的热输出进行比较。将编号为HFH22I-06、HFH22I-08的2个高温应变片悬空和夹持2种方式下的热输出分别进行比较，见图3所示。在低温段，二者重合的较好，随着温度的升高，二者的热输出值差距明显，而且悬空热输出明显大于夹持热输出。这是因为夹具材料的线膨胀系数大于高温应变片的基底材料，而且在热输出显著的温度段热输出值为负值，因此，夹持时的热输出比悬空时绝对值要小。从比较中可以看出夹持和悬空2种方式下的热输出随温度的变化存在显著差异，有些高温应变片的热输出在有些温度段这二种固定方式下存在很大差异，最大热输出差异均在曲线底部，分别为218 με (HFH22I-06)和98 με(HFH22I-08)

5 结语

通过不同固定方式下高温应变片热输出的测试和比较，对在不同测试方法下的热输出差异有了更好的认识。将高温应变片实际安装于和基底材料相同的试件上时，按实际温升速率得到的悬空热输出可以替代出厂热输出，且更能反映实际情况，具有更好的准确性。在材料相同时，夹持和点焊能获得相同的热输出曲线。夹持和悬空比较，在低温段二者热输出曲线较一致，随着温度的升高，二者差距明显，并在曲线底部差距最大。比较不同测试方法的热输出，可以看出：采用出厂热输出曲线与实际安装于某种试件材料的热输出存在较大差别，因此，用实际试件材料做成夹具进行夹持方式下的热输出测试，以减小实际测试热输出引起的测试误差。这种以夹代焊的热输出测试方式具有简单、实用、经济和准确度高的特点。

1 李庆钊, 李浩毅. 主蒸汽管道高温应力测量及其受力强度分析[J]. 天津电力技术, 1999, 2(3): 88–93 LI Qingzhao, LI Haoyi. High temperature stress measurement and strength analysis of primary steam pipe[J]. Tianjin Electric Power Tech, 1999, 2(3): 88–93

2 尹福炎. 瞬态加热条件下高温应变片测量误差的修正方法[J]. 强度与环境, 2005, 32(1): 36–42 YIN Fuyan. Correction technique for high temperature strain gage under transient heating conditions[J]. Structure and Environment Engineering, 2005, 32(1): 36–42

3 魏元,张爱茵,曹志伟. 试件合金成分对热输出影响的研究[J]. 强度与环境, 2009, 36(4): 50–53 WEI Yuan, ZHANG Aiyin, CAO Zhiwei. Research on influence of thermal output for different alloying composition specimen[J]. Structure and Environment Engineering, 2009, 36(4): 50–53

4 尹福炎, 王成林. 减小箔式应变片热输出分散度的方法[J]. 科技应用, 2004, 30(4): 9–14 YIN Fuyan, WANG Chenglin. Method of reducing thermal output divergence of foil type strain gage[J]. Science and Technology Application, 2004, 30(4): 9–14

5 刘梓才, 喻丹萍, 卢琰琰, 等. 高温应变片热输出测试[J]. 核动力工程, 2011, 32(Suppl): 166–168 LIU Zicai, YU Danping, LUYanyan, et al. Thermal output test of high temperature strain gauge[J]. Nuclear Power Engineering, 2011, 32(Suppl): 166–168

6 刘梓才, 卢琰琰, 何承义. 高温应变片标定装置设计[J].原子能科学技术, 2008, 42(Suppl): 704–706 LIU Zicai, LU Yanyan, HE Chengyi. Design of calibration apparatus of high temperature strain gauge[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2008, 42(Suppl): 704–706

Analysis of thermal output of high temperature strain gauge by different measurement methods

LIU Zicai YU Danping LI Xihua LU Yanyan CHEN Xuede LI Pengzhou
(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China)

Background: Thermal output of high temperature strain gauges can be measured by different methods. Purpose: This paper is to discover measurement methods’ effects on thermal output of high temperature strain gauge and to suggest a method of clamping instead of welding for fixture of high temperature strain gauge for thermal output measurement. Methods: By analysis of impacting factors of thermal output, thermal outputs were explored for mismatching thermal expansion coefficients between material of components to be tested and that of strain gauge base. Thermal outputs of all kinds by different fixture methods were obtained and compared for hanging, clamping and spot welding, respectively. Results: Thermal output obtained by way of hanging strain gauge can be used in case of installation on material of the same thermal expansion coefficient as the strain gauge base. And this hanging measurement method provides access to thermal output that strain gauge undergoes different temperature changing ratio from that one of provision offered by strain gauge fabrication factory. Thermal output obtained by way of clamping measurement method can substitute for the one obtained by spot welding. This clamping measurement method can not only realize the effect of spot welding, reducing calibration cost due to spot welding of strain gauges, but also realize the aim of calibration of strain gauges one by one with the strain gauges be intact after calibration. Differences between thermal outputs by two measurement ways of both hanging and clamping explain that large divergence can be made when thermal expansion coefficients between the material of strain gauge base and the one of the component to be installed on. Conclusions: Thermal output can be measured among all methods by fixture of clamping instead of welding, with an advantage of realizing strain gauge calibration one by one and also with a high precision.

High temperature strain gauge, Thermal output, Measurement method, Clamping

O602

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040636

刘梓才，男，1978年出生，2005年于太原科技大学获硕士学位，从事结构力学工作

2012-10-31，

013-01-142

CLC O602