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如何處理應(yīng)變傳感器產(chǎn)生的漂移
來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2016/8/29

  憑借高可靠性,高精度以及堅固的機(jī)械特性,基于應(yīng)變的傳感器在石油和天然氣工業(yè)占據(jù)了主要角色。然而,任何的傳感器技術(shù)都會受到環(huán)境因素的影響,例如溫度或是濕度,產(chǎn)生測量漂移。通過材料的精心選擇,可以緩解這些漂移。


  能夠在在惡劣的環(huán)境下,精確測量極高的負(fù)載使應(yīng)變傳感器能滿足石油和天然氣工業(yè)的要求。在高應(yīng)力應(yīng)用,例如泵通斷控制,深井泵(稱為往復(fù)桿提升泵系統(tǒng))等。同樣情況也適用于高壓應(yīng)用領(lǐng)域。另外,應(yīng)變傳感器具有 更寬的負(fù)載能力。和其他傳感器不同,應(yīng)變力傳感器量程高達(dá) MN ,扭矩傳感器量程同樣高達(dá) MN.m,壓力傳感器可達(dá) 10000 bar。


  測量產(chǎn)生的漂移


  由于具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性,這些傳感器非常適合惡劣環(huán)境的石油和天然氣工業(yè)。但是,如果不仔細(xì)選擇和使用,環(huán)境溫度過高,會導(dǎo)致測量產(chǎn)生漂移,影響設(shè)備的可靠性 — 有時在石油和天然氣應(yīng)用中環(huán)境溫度可達(dá)到400-500°F。


  溫度漂移是由多種情況引起的,例如材料本身的自然特性。溫度的變化將導(dǎo)致電阻產(chǎn)生變化,直接影響材料的電阻率。溫度的快速變化會產(chǎn)生顯著的溫漂,顯著影響測量的可靠性。


  多數(shù)應(yīng)用中,溫度變化會導(dǎo)致熱膨脹 - 材料以及應(yīng)變片自身。因為應(yīng)變片電阻會隨溫度產(chǎn)生變化,因此傳感器會產(chǎn)生測量漂移。當(dāng)被測物和應(yīng)變片的熱膨脹率系數(shù)顯著不同時,這種影響更加顯著。


  制造商通過對應(yīng)變片進(jìn)行優(yōu)化來消弱溫漂。通過不同的合金,制造商使應(yīng)變片匹配被測材料的溫度響應(yīng)系數(shù)。這一般稱為“自補(bǔ)償”應(yīng)變片。


  不適當(dāng)?shù)哪z水和黏貼方法也會加劇這個問題。在石油天然氣工業(yè)中,應(yīng)用溫度較低的粘合劑會導(dǎo)致測量失敗。膠水的熱膨脹系數(shù)如果不能匹配應(yīng)變片和被測物體,也同樣會導(dǎo)致較大的測量漂移。


  漂移補(bǔ)償


  通過自補(bǔ)償應(yīng)變片和合適的黏貼技術(shù)可以降低溫漂,但是無法完全消除他們。為進(jìn)一步消除這些效應(yīng),傳感器設(shè)計師通常采用 雙柵或4柵設(shè)計,組成半橋或全橋布置。這些柵絲安裝在同種材料上,具有相同的溫度變化。由于整個橋路的電阻隨溫度產(chǎn)生的變化比相同,因此橋路輸出和溫度變化無關(guān)。


  除了外界溫度因素,其他因素也可產(chǎn)生溫漂。因為應(yīng)變片是電阻型傳感器,需要外部激勵電壓進(jìn)行供電。采用更高的激勵電壓,能夠獲得更高的輸出電壓,更高的靈敏度和信噪比。但是 過高的激勵電流會產(chǎn)生自熱效應(yīng),導(dǎo)致產(chǎn)生額外的溫漂。


  引線的變化也會導(dǎo)致額外的溫漂。因為銅導(dǎo)線的溫度響應(yīng)系數(shù)比應(yīng)變片高,盡管他們的電阻較低,但是導(dǎo)線電阻變化依然會產(chǎn)生溫漂。


  其他因素包括機(jī)械損壞,濕度,銹蝕等都會產(chǎn)生測量漂移。在石油工業(yè)中,包括采用高壓水槍沖洗等都是潛在的威脅。通過專用的密封材料是解決之道,包括油漆,膩子,密封外殼等。


  采用全橋或半橋傳感器,通過精心選擇應(yīng)變片,黏貼和密封材料能顯著地降低測量漂移。對于要求極高的應(yīng)用,工程師可以采用計算方法進(jìn)一步補(bǔ)償。HBM 提供其應(yīng)變片與溫度響應(yīng)曲線,以及用于數(shù)學(xué)計算的補(bǔ)償多項式。


  結(jié)論


  應(yīng)變片傳感器能滿足石油和天然氣行業(yè)惡劣環(huán)境的要求,具有較高的精度和長期穩(wěn)定性。但如同所有的傳感器器,都會受到溫度變化影響,導(dǎo)致測量漂移。通過仔細(xì)的選擇和黏貼被測體,可以大幅減少漂移或進(jìn)行補(bǔ)償。實現(xiàn)載荷,扭力,拉力和壓力的高度準(zhǔn)確,可靠測量。


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