应变片温度误差的概念

ValueEngineering0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+α0）Δt（1）式中:Rt———温度为t时的电阻值；R0———温度为t0时的电阻值；α0———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=R0α0Δt（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=Δll0=（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ΔRtR0=ΔRα+ΔRβR0=[α0+K0（βg-βs）]Δt（6）折合成附加应变量或虚假的应εt，有εt=ΔRtR0K0=α0K0+（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，α0，βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。温度对应变特性的影响，除了上述两个方面，还将会影响粘合剂传递变形的能力等。但在常温下，上述两个方面是造成应变片温度误差的主要原因。2温度补偿方法温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。2.1线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。图1是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：Uo=A（R1R4-RBR3）（8）式中，A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变，如图2所示。当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有Uo=A（R1R4-RBR3）=0（9）工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-（RB+ΔRBt）R3]=0（10）若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为Uo=AR1R4Kε（11）由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。线路补偿法的优点是简单方便，补偿效果好。其缺点是在温度变化梯度较大的情况下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。2.2应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，可由式（7）得出，要实现温度自补偿，必须有：α0＝-K0（βg-βs）（12）———————————————————————基金项目：国家自然科学基金项目（60572001），河南省教育厅项目（2008B510019）和河南科技厅项目（112300410285）。作者简介：张宁（1974-），女，河南开封人，硕士，讲师，研究方向为电子信息工程，检测技术等。应变式传感器的温度误差及补偿方法TemperatureErrorandCompensationofStrainSensor张宁ZhangNing（商丘师范学院物理与电气信息学院，商丘476000）（DepartmentofPhysicsandElectricalInformation，ShangqiuNormalUniversity，Shangqiu476000，China）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。Abstract:Thispapersystematicallyanalyzestheadditionalerrorofresistorsensorintheactualapplicationinfluencedbythefactorssuchastheambienttemperature.Inordertosolvethisproblem,thispaperputsforwardseveralmethodsoftemperaturecompensationtoincreasethemeasuringprecisiontoensureaccuracy.关键词：应变式传感器；温度误差；补偿Keywords:resistorstrainsensor；temperatureerror；compensation中图分类号：TS3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）04-0011-02·11·价值工程

区分应力与应变的概念

应力

所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。如图1所示：

在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力——内力。该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。例如，圆柱体截面积为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应力：

（Pa或者N/m2）

这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。

图1

应变

当单位圆柱体被拉伸的时候会产生伸长变形ΔL，那么圆柱体的长度则变为L+ΔL。这里，由伸长量ΔL和原长L的比值所表示的伸长率（或压缩率）就叫做“应变”，记为ε。

与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(1×10-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用μE表示。

而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生Δd的变形时，直径方向的应变如下式所示：

这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为υ。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。

应力与应变的关系 各种材料的应变与应力的关系已经通过实验进行了测定。图2所示为一种普通钢材（软铁）的应力与应变关系图。根据胡克定律，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系。对应的最大应力称为比例极限。

图2 或者

应力与应变的比例常数E 被称为弹性系数或扬氏模量，不同的材料有其固定的扬氏模量。

综上所述，虽然无法对应力进行直接的测量，但是通过测量由外力影响产生的应变可以计算出应力的大小。

应变片的构造及原理

应变片的构造

应变片有很多种类。一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。

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：

姓 名： 成 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。

应变片温度误差

应变片温度误差是指应变片在测量温度时产生的误差。应变片常用于测量材料的应变变化，通过测量应变片的电阻变化来获得被测物体的应变信息。然而，在测量过程中，应变片的温度可能会发生变化，导致测量结果出现误差。

应变片的电阻会随着温度的升高或降低而发生变化，这是由于材料的热膨胀效应和温度对材料导电性的影响所导致的。当应变片固定在被测物体上时，由于被测物体的温度变化，应变片的温度也会发生变化，从而引起电阻值的变化。如果未能正确考虑和补偿这种温度变化带来的影响，测量结果就会产生误差。

为了减小应变片温度误差，我们需要采取相应的补偿措施。首先，我们可以选择使用温度补偿电阻来校正应变片的测量结果。温度补偿电阻是根据应变片的温度特性进行精心设计的电阻元件，其电阻值随温度的变化符合一定的规律，可以通过测量温度补偿电阻来确定应变片的实际温度，从而补偿温度变化带来的误差。

此外，对于某些温度要求较高的测量场景，我们还可以采用温度补偿电路来进一步减小误差。温度补偿电路是一种由温度传感器和电子补偿元件组成的电路，通过实时测量应变片和环境温度，利用电子补偿元件对测量结果进行修正，以消除温度变化对测量结果的影响。

除了采取合理的补偿措施外，我们还应注意在测量过程中避免温度的急剧变化。因为应变片的温度响应时间通常较长，如果温度发生急剧变化，应变片的温度可能无法及时调整，从而造成误差。因此，在进行测量前应尽量使应变片和被测物体达到热平衡，并避免外界温度突变的影响。

总结起来，要减小应变片温度误差，我们应该综合考虑补偿措施、温度补偿电路以及避免急剧温度变化等因素。通过科学合理地选择和应用这些方法，我们可以提高应变片的温度测量精度，从而有效提高测量结果的准确性和可靠性。