應(yīng)變片的溫度誤差及補償

1、應(yīng)變片的溫度誤差及補償 1. 應(yīng)變片的溫度誤差 由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差 , 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有 : 1) 電阻溫度系數(shù)的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： Rt=R0 （ 1+ 0 t ） (3 - 14) 式中 : Rt 溫度為 t 時的電阻值 ; R0 溫度為 t 0 時的電阻值 ; 0 金屬絲的電阻溫度系數(shù) ; t 溫度變化值 , t=t -t0 。 當(dāng)溫度變化 t 時 , 電阻絲電阻的變化值為 Rt=Rt- R0= R0 0 t （ 3 - 15 ） 2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)試件與

2、電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時 , 不論環(huán)境溫度如何變化 , 電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣 , 不會產(chǎn)生附加變形。 當(dāng)試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時 , 由于環(huán)境溫度的變化 , 電阻絲會產(chǎn)生附加變形 , 從而產(chǎn)生附加電阻。 設(shè)電阻絲和試件在溫度為 0 時的長度均為 L0 ，它們的線膨脹系數(shù)分別為 s 和 g, 若兩者不粘貼 , 則它們的長度分別為 Ls= L0 （ 1+ s t ） （ 3 - 16 ） Lg= L0 （ 1+ g t ） （ 3 - 17 ） 當(dāng)二者粘貼在一起時 , 電阻絲產(chǎn)生的附加變形 L, 附加應(yīng)變和附加電阻變化 R 分別為 L= Lg - Ls = （ g- s ） L0

3、t (3 - 18) = LL0= （ g- s ） t (3 - 19) R = K0 R0 = K0 R0( g- s) t (3 - 20) 由式（ 3 - 15 ）和式（ 3 - 20 ） , 可得由于溫度變化而引起應(yīng)變片總電阻相對變化量為 折合成附加應(yīng)變量或虛假的應(yīng)變 t, 有 由式（ 3 - 21 ）和式（ 3 - 22 ）可知 , 因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對變化量 , 除了與環(huán)境溫度有關(guān)外 , 還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（ K0 ， 0 ， s ）以及被測試件線膨脹系數(shù) g 有關(guān)。 2. 電阻應(yīng)變片的溫度補償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應(yīng)變片自補償兩大

4、類。 1) 線路補償法 電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。圖 3 - 4 所示是電橋補償法的原理圖。電橋輸出電壓 Uo 與橋臂參數(shù)的關(guān)系為 Uo=A （ R1 R4- RB R3 ） （ 3 - 23 ） 式中 : A 由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。 R1 工作應(yīng)變片； RB 補償應(yīng)變片 由上式可知 , 當(dāng) R3 和 R4 為常數(shù)時 , R1 和 RB 對電橋輸出電壓 U0 的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補償。 測量應(yīng)變時 , 工作應(yīng)變片 R1 粘貼在被測試件表面上 , 補償應(yīng)變片 RB 粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上 , 且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。 如圖 3

5、- 4 所示。 當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時 , R1 和 RB 又處于同一環(huán)境溫度為 t 的溫度場中 , 調(diào)整電橋參數(shù)，使之達到平衡 , 有 Uo=A （ R1R4-RBR3 ） =0 （ 3 2 ） 圖 3-4 電橋補償法 工程上 , 一般按 R1 = R2 = R3 = R4 選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低 t = t-t0 時 , 兩個應(yīng)變片的因溫度而引起的電阻變化量相等 , 電橋仍處于平衡狀態(tài) , 即 Uo=A （ R1+ R1t ） R4-(RB+ RBt)R3 =0 (3 - 25) 若此時被測試件有應(yīng)變的作用 , 則工作應(yīng)變片電阻 R1 又有新的增量 R1=R1K , 而補償片因不承

6、受應(yīng)變 , 故不產(chǎn)生新的增量 , 此時電橋輸出電壓為 Uo = AR1R4K （ 3 - 26 ） 由上式可知 , 電橋的輸出電壓 Uo 僅與被測試件的應(yīng)變有關(guān) , 而與環(huán)境溫度無關(guān)。 應(yīng)當(dāng)指出 , 若實現(xiàn)完全補償 , 上述分析過程必須滿足四個條件 : 在應(yīng)變片工作過程中 , 保證 R3 =R4 。 R1 和 RB 兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù) , 線膨脹系數(shù) , 應(yīng)變靈敏度系數(shù) K 和初始電阻值 R0 。 粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣 , 兩者線膨脹系數(shù)相同。 兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。 2) 應(yīng)變片的自補償法 這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應(yīng)變

7、片 , 稱之為溫度自補償應(yīng)變片。 溫度自補償應(yīng)變片的工作原理可由式（ 3 - 21 ）得出 , 要實現(xiàn)溫度自補償 , 必須有 0= -K0 （ g- s ） （ 3 - 27 ） 上式表明 , 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù) g 已知時 , 如果合理選擇敏感柵材料 , 即其電阻溫度系數(shù) 0 、靈敏系數(shù) K0 和線膨脹系數(shù) s, 使式（ 3 - 27 ）成立 , 則不論溫度如何變化 , 均有 Rt/ R0=0, 從而達到溫度自補償?shù)哪康?。一?電阻應(yīng)變片的種類 電阻應(yīng)變片品種繁多 , 形式多樣。 但常用的應(yīng)變片可分為兩類 : 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。 金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、 覆蓋層和引線

8、等部分組成 , 如圖 3 - 2 所示。 敏感柵是應(yīng)變片的核心部分 , 它粘貼在絕緣的基片上 , 其上再粘貼起保護作用的覆蓋層 , 兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。 圖 3-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵 , 其厚度一般在 0.003 。其優(yōu)點是散熱條件好 , 允許通過的電流較大 , 可制成各種所需的形狀 , 便于批量生產(chǎn)。薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成 0.1 m 以下的金屬電阻薄膜的敏感柵 , 最后再加上保護層。它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大 , 允許電流密度大 , 工作范圍廣。 半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的 , 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時 , 其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時 , 其電阻相對變化為 （ 3-10 ） 式中 / 為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量 , 其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力關(guān)系為 （ 3-11 ） 式中 : 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。 將式（ 3 - 11 ）代入式（ 3 - 10 ）中得 （ 3-12 ） 實驗證明 , E 比（