应变片的温度误差及补偿

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

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。

第３７卷第２期　

２００７年３月　东南大学学报（自然科学版）　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　ＶＯＩ＿３７　Ｎｏ．２　

Ｍａｒ．２００７　

光纤光栅应变传感器的温度补偿　

赵启林　杨　洪　陈浩森　

（解放军理工大学工程兵工程学院，南京２１０００７）　

摘要：为建立经过钢套筒封装后的光纤光栅应变传感器的温度补偿方法，从封装传感器的微观　

结构出发，利用光栅与封装套筒在界面上力学作用机理推导出封装传感器的波长变化与环境温　

度、应变变化值之间的关系式．给出了应变传感器进行应变测量时的温度补偿公式与工程实施方　

案．室内的标准实验证明：对于封装的应变传感器进行应变测量时，采用建立的温度补偿公式与　

实施方案能够正确剔除温度影响，得到真实的应变值，如果采用传统的裸光栅温度补偿方法在温　

度变化幅度较大情况下将导致严重的系统测量误差．　

关键词：光纤光栅传感器；温度补偿；应变　

中图分类号：ＴＮ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—０５０５（２００７）０２－０３１０－０５　

Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　

Ｚｈａｏ　Ｑｉｌｉｎ　Ｙａｎｇ　Ｈｏｎｇ　Ｃｈｅｎ　Ｈａｏｓｅｎ　

（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｉｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　Ｃｏｒｐｓ，ＰＬＡ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｌｉｃｉｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｂｅｒ　Ｂｒａｇｇ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｓｔｒａｉｎ　

ｓｅｎｓｏｒ　ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ　ｉｎ　ｓｔｅｅｌ　ｓｌｅｅｖｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅ—　

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桥梁应变监测温度补偿系统设计

作者：王超

来源：《数字化用户》2013年第12期

【摘 要】为了对桥梁危险截面关键构件应变情况进行实时准确地在线监测，并克服环境温度对光纤光栅应变监测系统的影响，设计开发了基于DS18B20单总线温度传感器的温度补偿系统。仿真结果证实，系统采集迅速，性能可靠。

【关键词】桥梁应变 DS18B20 单总线 温度补偿

【Abstract】In order to monitor the strain of dangerous section key components on the bridge in

real time and to overcome the impact on FBG strain monitoring system which caused by ambient

temperature， the temperature compensation system based on DS18B20 single-bus temperature

sensor has been developed. The simulation results showed that the system collected the data rapidly

and worked reliably.

【Key words】Bridge strain DS18B20 1-wire Temperature compensation

光纤光栅应变监测作为大型桥梁健康监测的重要手段，其数据的准确性必须得以保证。本文针对目前桥梁光纤光栅应变监测中光纤光栅温度传感器补偿[1]效果欠佳，成本太高的问题，设计了基于DS18B20的桥梁应变监测温度补偿系统的设计系统[2，3]，具有一定的理论意义和工程实用价值。