环境温度对光栅测微传感器的影响分析

王珂娜，李尚霖，郑晓斐，张浩

（西安汉唐分析检测有限公司，陕西西安 710000）

1 引言

蠕变试验时采用光栅测微传感器测量变形，光栅测微传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快等优点。光栅测微传感器作为高精密测量仪器，自身的准确性直接决定了蠕变试验结果的有效性。

光栅尺的制造误差、温度特性及机械运动精度直接决定了光栅测微传感器的精度[1]。光栅尺的使用环境导致的误差主要是指刻划空气的温度、湿度和气压值不符合最佳值或者因波动而导致激光波长的误差，其中温度对测量精度影响最大，其次是大气压的影响，湿度的影响较小，故本文主要讨论光栅尺的温度特性。光栅尺的温度特性是指在测量时由于温度变化产生的变形从而导致测量不准确。光栅尺是在 20±0.1℃的温度下制造的，使用环境的温度改变会影响光栅尺的精度[2]。温度波动对压力传感器的影响主要集中在温度单独作用产生的波长漂移，对光栅测微传感器测量准确性产生影响[3]。

受试验环境昼夜温差影响，蠕变试验时，特别对于长时试验及蠕变伸长率较小的材料，当环境变化超过±3℃时，对光栅测微传感器造成的影响必须被考虑，并分析温度变化对蠕变试验结果的有效性有无影响。

2 试验过程

2.1 试验设备

①试验机：选用长春科新制造的持久蠕变电子试验机;

②光栅尺：HEIDENHAIN光栅尺，测量范围0～10mm，分辨力0.0001mm；

③GSP-6高精度温湿度记录仪

④S型贵金属热电偶

2.2 试验样品

棒材蠕变试样。

2.3 试验条件

①首次试验：试验温度为350℃，应力水平为90Mpa，100Mpa，120Mpa的条件下进行50小时的蠕变试验，关闭中央空调，对环境温度不进行干预。

②二次试验，试验温度为350℃，应力水平为25Mpa的条件下同时对2支相同材料的蠕变试样进行100小时的蠕变试验。

2.4 试验步骤

在持久蠕变电子试验机旁放置温湿度记录仪，测定在同一材料在相同温度不同载荷水平下进行蠕变试验时，光栅测微传感器测得的变形量的变化情况，分析环境温度的变化对试验结果的影响。

3 试验结果

3.1 首次试验

表1为环境温度随时间的变化情况。温湿度记录间隔为15分钟，为了方便分析观察只选用一小时一个温度点。

表1 24小时内环境温度随时间的变化情况

图1-3为同一天内(0h对应凌晨00:00)，同一材料在相同温度不同应力水平下的蠕变变形-时间曲线。

图1 试样在120MPa时的变形-时间曲线

图2 试样在100MPa时的变形-时间曲线

图3 试样在90MPa时的变形-时间曲线

环境温度变化超出3℃，由表1可见，在对环境温度不进行人工干预的情况下，最大温差为7.5℃，经温湿度记录仪监测一天中高温出现在中午三点前后，可知：在120MPa的应力水平下，图1所示的蠕变变形-时间曲线比较平滑，蠕变变形量随着时间缓慢增加，变形量与温度变化趋势不一致，证明随着昼夜温差变化，环境温度的变化对光栅测微传感器的读数无影响；在100MPa的应力水平下，蠕变变形-时间曲线中变形量波动相对较大，变形变化趋势不明显，但与温度变化趋势不一致，故环境温度对其无明显直接影响；在90MPa的应力水平下，蠕变变形-时间曲线的变形量在13:00前趋于缓慢增加，在16:00后变形量呈现下降趋势，表明环境温度的变化对光栅测微传感器的读数产生了影响。

3.2 二次试验

为排除材料自身塑性变形的影响，选用接近于初负荷的试验应力，确保在100小时试验过程中内基本不发生蠕变变形，采用与上述相同的材料及试验温度，在25MPa应力下进行两组蠕变试验。

获得的蠕变变形-时间曲线如图4所示，环境温度的变化与表1趋势一致，故不再列举。可以看出变形量随着时间变化存在周期性的波动，且两组曲线趋势一致。试验开始时间均为中午两点，波峰均出现在一天中温度最高的时候，波谷出现在温度最低的时候。表明在环境温度超过3℃时，光栅测微传感器测得的变形受温度影响显著。但由于低应力水平下，对蠕变变形量产生显著影响的因素（如试验机高温拉杆的形变、设备力值精度、噪音等）较多，环境温度对光栅测微传感器的读数影响程度还需要进一步进行研究。

图4 2个相同试样在25MPa时的变形-时间曲线

4 结论

同一材料在相同温度不同载荷水平下进行蠕变试验时，对光栅测微传感器测得的变形量的变化情况进行分析，确认温度对蠕变试验结果有效性的影响。

（1）在应力水平较高时，环境温度对光栅测微传感器的读数并无显著影响，对蠕变试验结果的有效性无影响。

（2）在低应力水平下，当环境温差超过±3℃时，极有可能对光栅测微传感器的读数造成影响，具体还需要大量的蠕变试验证明。为严格试验条件，排除环境温度对光栅测微传感器的读数影响，确保试验结果的有效性，在低应力水平下进行蠕变试验时，应严格控制环境温度波动在3℃以内。