电阻应变式传感器的温度误差及其补偿.

Value Engineering 0引言应变式传感器以电阻应变片为转换元件，应变片粘贴在被测试件表面，由于被测试件的变形使其表面产生应变，从而引起电阻应变片的阻值变化，通过测量电阻的变化即反映了应变或应力的大小。

电阻应变片不仅能够测量应变，而且对其他的物理量，只要能变为应变的相应变化，都可进行测量，如可以测量力、压力、位移、力矩、重量、温度和加速度等物理量。

它结构简单、体积小、测量范围广、频率响应特性好、适合动态和静态测量、使用寿命长、性能稳定可靠，是目前应用最广泛的传感器之一[1-3]。

电阻应变片由于温度变化引起的电阻变化与试件应变所产生的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量的精度无法保证。

1温度误差产生的原因1.1电阻温度系数的影响应变片敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：R t =R 0（1+α0）Δt （1）式中:R t ———温度为t 时的电阻值；R 0———温度为t 0时的电阻值；α0———温度为t 0时金属丝的电阻温度系数；Δt ———温度变化值，Δt=t-t 0。

当温度变化Δt 时，电阻丝电阻的变化值为：ΔR=R t -R 0=R 0α0Δt （2）1.2试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。

当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。

设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l 0，它们的线膨胀系数分别为βs 和βg ，若两者不粘贴，则它们的长度分别为l s =l 0（1+βs Δt ），l g =l 0（1+βg Δt ）（3）当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl 、附加应变εβ和附加电阻变化ΔR β分别为Δl =l g -l s =（βg -βs ）l 0Δt（4）εβ=Δl 0=（βg -βs ）Δt ，ΔR t =K 0R 0εβ=K 0R 0（βg -βs ）Δt （5）那么由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为ΔR t 0=ΔR α+ΔR β0=[α0+K 0（βg -βs ）]Δt （6）折合成附加应变量或虚假的应εt ，有εt =ΔR tR 00=αK 0+（βg -βs"）Δt （7）由式（6）和式（7）可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0，α0，βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。

电阻应变测试原理及温度补偿方法实验一、实验目的１．掌握电阻应变片的粘贴技术。

　２．初步掌握电阻应变片的绝缘处理、防潮、接线和粘贴质量检查等基本技术。

３．了解电测应力、应变实验原理与电桥接线方法。

二、实验设备及器材 １．电阻应变片。

２．试件。

　３．万用表、兆欧表。

　４．电烙铁、镊子、丙酮、细砂纸、药棉等工具和材料。

５．502胶水、连接导线、704胶。

６．烘干设备。

三、电测法基本原理电阻应变测量技术(简称电测法)，就是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量的一种实验方法，又称非电量电测法。

将电阻应变片粘贴在构件上，当构件受力变形时应变片也随之一起变形，应变片的电阻值发生变化，通过测量电桥将电阻变化转换成电压信号，经放大处理及模／数转换，最后直接输出应变值。

　电测法在工程中得到广泛应用，其主要特点：　(１) 尺寸小、重量轻、安装方便，对被测构件的应力分布不产生干扰。

(２) 精度和灵敏度高，最小应变读数为１με＝10。

　6−(３) 测量范围广、适应性强，既能进行静态测试也能进行动态测试，频率响应范围从零到几万赫。

还可以在高、低温及高压、水中等特殊条件下进行测量。

　(４) 可测量多种力学量。

采用应变片作为敏感元件制成各种传感器可测力、位移、压强、转角、速度、加速度、扭矩等。

　但电测法也有局限性，其缺点是：　(１) 只能测构件表面的应变，并且是有限个点，测量数据是离散的，难以得到整个应力-应变场的分布全貌。

　(２)对于应力集中和应变梯度较大的部位，会引起比较大的误差。

　四、电阻应变片１．工作原理　由物理学可知，金属导线的电阻为：Ｒ=A Ｌ/ρ (2 - 1)式中：ρ为导线材料电阻率；Ｌ为导线长度；A 为导线截面积。

　当金属导线因受力变形引起电阻相对变化，对式(2-1)两边取对数再微分得：ＡＡＬＬＲＲd d d d −+=ρρ(2 - 2)式中：ρρd ≈ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=ＬL ＡＡＣＶＶＣd d d ； ε=ＬＬd ；⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==ＬＬＤＤＡＡd 2d 2d μＣ为与材料种类和加工方法相关的常数；Ｖ为体积；ε为应变；Ｄ为导线直径；μ为导线材料泊松比。

《传感器与自动检测技术》期末复习题库（无答案）第一章一、填空题1、检测包含检查与测量两个方面，检查往往是获取_ _信息，而测量则是获取__ _信息。

2、自动检测系统由_____ _、_ _ _和_ _组成。

3、自动检测系统应具有_ 、_ _、_ _和_ _功能。

4、传感器的基本特性有__ _____、_ _、__ _和_ __。

5、传感器由___ __、__ _和__ _组成。

6、传感器按工作原理可分为___ _、___ _和__ __。

7、测量误差按表示方法可分为___ ___和___ ___。

8、准确度表征了的大小，精密度表征了的大小。

9、传感器的输出信号有很多种形式，如、、等（任写三种均可）。

10、传感器的基本特性中，精度是评价传感器的指标，表征传感器可靠性最基本的尺度是。

二、选择题1、某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.5% ，该压力表的精度等级应定为（）级。

A. 0 .2B. 0 .5C. 1 .0D. 1.52、一家仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于 0.9% ，应购买（）级的压力表。

A. 0 .2B. 0 .5C. 1 .0D. 1.53、某采购员分别在三家商店购买 200kg 面粉、 20kg 香蕉、 2kg 巧克力，发现均缺少约 1kg ，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，在这个例子中，产生此心理作用的主要因素是（）。

A. 绝对误差B. 示值相对误差C. 满度相对误差D. 精度等级4、用万用表直流电压档测量 5 号干电池电压，发现每次示值均为 1.8V ，该误差属于（）。

A. 系统误差B. 粗大误差C. 随机误差D. 动态误差5、有一温度计，它的测量范围为0～200℃，精度为0.5级，该表可能出现的最大绝对误差为（）。

A. 1℃B. 0.5℃C. 10℃D. 200℃6、有一温度计，它的测量范围为0～200℃，精度为0.5级，当示值为20℃时的示值相对误差为（）。

北京XX大学实验报告课程（项目）名称：实验三应变片的温度效应及补偿学院：自动化专业：自动化班级：学号：*名：*绩：2013年12月10日实验一一、任务与目的了解温度对应变测试系统的影响。

二、原理（条件）当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。

为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。

本实验中采用的是电桥补偿法三、内容与步骤（1）了解加热器在实验仪所在的位置及加热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。

（2）将差动放大器的（＋）、（－）输入端与地短接，输出端插口与F／V表的输入插口Vi相连。

（3）开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使F／V表显示零。

再把F／V表的切换开关置2V档，细调差放零点，使F／V表显示零。

关闭主、副电源，F／V表的切换开关置20V档，拆去差动放大器输入端的连线。

（4）按图接线，开启主副电源，调电桥平衡网络的W1电位器，使F／V表显示零，然后将F／V表的切换开关置2V档,调W1电位器，使F／V表显示零。

（5）在双平行梁的自由端（可动端）装上测微头，并调节测微头，使F／V表显示零。

（6）将－15V电源连到加热器的一端插口，加热器另一端插口接地；F／V表的显示在变化，待F／V表显示稳定后，记下显示数值(起始-0.60 终止0.094 温度：)，并用温度计（自备）测出温度(室温)，记下温度值。

（注意：温度计探头不要触在应变片上，只要触及应变片附近的梁体即可。

）关闭主、副电源，等待数分钟使梁体冷却到室温。

（7）将F／V表的切换开关置20V档，把图中的R3换成应变片（补偿片），重复4－6过程。

（8）比较二种情况的F／V表数值：在相同温度下，补偿后的数值小很多。

（9）实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转至初始位置，四、数据处理（现象分析）（1）在完成步骤（5）调零之后，F/V表显示数值为0，此时室温20℃。

1-1 衡量传感器静态特性的主要指标。

说明含义。

1、 线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。

2、 回差（滞后）—反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。

3、 重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。

各条特性曲线越靠近，重复性越好。

4、 灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。

5、 分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。

6、 阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。

7、 稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。

8、 漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。

9、 静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。

1-2 计算传感器线性度的方法，差别。

1、 理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。

2、 端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。

3、 “最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。

这种方法的拟合精度最高。

4、 最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。

1-3 什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？（1）静态特性：表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。

动态特性：反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。

（2）由于传感器可能用来检测静态量（即输入量是不随时间变化的常量）、准静态量或动态量（即输入量是随时间变化的变量），于是对应于输入信号的性质，所以传感器的特性分为静态特性和动态特性。

Z-1 分析改善传感器性能的技术途径和措施。

第一章1.传感器的基本概念是什么？一般情况下由哪几部分组成？答：（1）传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

（2）传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路组成，有的还需辅助电源。

2.传感器有几种分类形式，各种分类之间有什么不同？答：一般常用的分类方法有四种：①按测量原理分类；②按输入信号分类；③按结构型和物理型分类；④按使用材料分类。

第二章1.何谓传感器的静态特性，传感器的主要静态特性有哪些？答：（1）传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。

（2）主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、漂移。

2.何谓传感器的动态特性，怎样衡量传感器的动态特性？答：（1）传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。

（2）传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来衡量。

瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。

第三章1.试分析电位器式传感器的负载特性，什么是负载误差？如何减小负载误差？答：（1）电位器输出端有负载时，其特性称为负载特性。

负载电阻和电位器的比值为有限值，负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。

对于线性电位器，负载误差即为其非线性误差。

（2）减小负载误差方法：①尽量减小负载系数，通常希望m＜0.1，为此可采用高输入阻抗放大器；②将电位器工作区间限制在负载误差曲线范围内；③将电位器空载特性设计成某种上凸特性，负载特性必然下降。

第四章1.简述电阻应变式传感器的温度误差原因，如何补偿。

答：（1）原因：①温度变化引起敏感栅金属丝电阻变化；②试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，两者随温度变化产生的形变不等，使应变片产生附加应变。

（2）补偿方法：①电桥补偿法；②辅助测温元件微型计算机补偿法；③应变计自补偿2.什么是直流电桥？若按桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？答：（1）桥臂的供电电源是直流电的称为直流电桥。

应变式传感器的温度误差及补偿方法作者：张宁来源：《价值工程》2012年第04期摘要：分析了应变式传感器在实际应用中由于环境温度变化等因素的影响产生的附加误差，给出了几种温度误差的补偿方法，以提高测量的准确性。

关键词：应变式传感器；温度误差；补偿中图分类号：TS3 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0011-020引言应变式传感器以电阻应变片为转换元件，应变片粘贴在被测试件表面，由于被测试件的变形使其表面产生应变，从而引起电阻应变片的阻值变化，通过测量电阻的变化即反映了应变或应力的大小。

电阻应变片不仅能够测量应变，而且对其他的物理量，只要能变为应变的相应变化，都可进行测量，如可以测量力、压力、位移、力矩、重量、温度和加速度等物理量。

它结构简单、体积小、测量范围广、频率响应特性好、适合动态和静态测量、使用寿命长、性能稳定可靠，是目前应用最广泛的传感器之一[1-3]。

电阻应变片由于温度变化引起的电阻变化与试件应变所产生的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量的精度无法保证。

1温度误差产生的原因1.1 电阻温度系数的影响应变片敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0（1+?琢0）?驻t（1）式中:Rt——温度为t时的电阻值；R0——温度为t0时的电阻值；?琢0——温度为t0时金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。

当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：ΔR=Rt-R0=R0?琢0Δt（2）1.2 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。

当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。

设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为ls=l0（1+βsΔt），lg=l0（1+βgΔt）（3）当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为Δl=lg-ls=（βg-βs）l0Δt（4）εβ=■=（βg-βs）Δt，ΔRt=K0R0εβ=K0R0（βg-βs）Δt（5）那么由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为■=■=[?琢0+K0（βg-βs）]Δt（6）折合成附加应变量或虚假的应εt，有εt=■=■+（βg-βs）Δt （7）由式（6）和式（7）可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0，?琢0，βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。