应变片的温度误差及补偿

《应变片的温度误差及补偿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应变片的温度误差及补偿（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、应变片的温度误差及补偿1. 应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差 ,称为应变片 的温度误 差。产生应变片温度误差的主要因素有 :1) 电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt二RO ( 1+ a 0 A) t (3 - 14)式中：Rt温度为t C时的电阻值;R0温度为t 0 C时的电阻值；a 0 金属丝的电阻温度系数 ;A t 温度变化值，A t二-tO。当温度变化A t时，电阻丝电阻的变化值为A Rt=R-t R0= R0a 0 A( t 3 - 15 )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

2、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。 当试件和电 阻丝线膨胀系数 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。设电阻丝和试件在温度为0 C时的长度均为L0，它们的线膨胀系数 分别为B s和B g,若两者不粘贴，则它们的长度分别为Ls二 L0 ( 1+ 3 s ) t ( 3 - 16 )Lg= L0 ( 1+ 3 g ) t ( 3 - 17 )当二者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形 L,附加应变E p 和附加电阻变 化 R 3分别为 L= Lg - Ls = ( 3 -g 3 s) L0 t (3- 18

3、)3 = LL(0=3 -g 3 s) t (3- 19) R 3 = K0 R0 E3 = KO -R 3 0( s) 3厶 g -t 2(30 )由式( 3 - 15 )和式( 3 - 20 ) , 可得由于温度变化而引起应变 片总电阻相对变化量为折合成附加应变量或虚假的应变E t,有耳=刍-叫亚+(芦-Afr z *r,由式(3 - 21 )和式(3 - 22 )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 ,a 0 ,3 s)以及被测试件线膨胀系数3 g有 关。2. 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方

4、法通常有线路 补偿法和应变片自补偿两大类1) 线路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。 图 3 - 4 所示是电桥 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 ( R1 R4- RB R3 ) ( 3 - 23 )式中 : A 由桥臂电阻和 电源电压决定的常数R1 工作应变片； RB 补偿应变片由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0 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 3 - 4

5、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 C的 温度场 中 ，调整电桥参数，使之达到平衡 ， 有Uo=A ( R1R4-RBR3 ) =0 ( 3 - 2 )工程上 ， 一般按 R1 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻。当温度升高或降 低 t = -tt0时，两个应变片的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+ R1t ) R4- (RB+ RBt) R3 =0(3 - 25)若此时被测试件有应变E的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量 R1=R1K e 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 =

6、AR1R4K e（ 3 - 26 ） 由上式可知 , 电桥的输出电压 Uo仅与被测试件的应变e有关，而与环境温度无关。应当指出 , 若实现完全补偿 , 上述分析过程必须满足四个条件 : 在应变片工作过程中 , 保证 R3 =R4 。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数a ,线膨胀系数 B ,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样 , 两者线 膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。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。温度自补偿应变片的工作原理可由式（ 3 - 2

7、1 ）得出 , 要实现温度 自补偿 , 必 须有a 0=- KO （B -gB s） （ 3 - 27 ）上式表明，当被测试件的线膨胀系数B g已知时，如果合理选择敏 感栅材料，即其电阻温度系数a 0、灵敏系数K0和线膨胀系数B s,使式（3 - 27 ）成立,则不论温度如何变化，均有 Rt/ R0=0, 从而达到温度自补偿的目的。电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多 ,形式多样。 但常用的 应变片可分为两类 : 金属电阻应变 片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成 ,如图 3 - 2所示。敏感栅是应变片的核心部分 ,它粘贴在绝缘的基片上 , 其上再粘贴起

8、保护作用 的覆盖层 , 两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有 丝式、 箔式和薄膜 式三种。图 3-2金属电阻应变片的结构箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅 ,其 厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好，允许通过的 电流较大 ,可制成各 种所需的形状 , 便于批量生产。薄膜应变片是 采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1 H m以 下的金属电阻薄膜的敏感栅 ，最后再加上保 护层。它的优点是应变灵 敏度系数大 ，允许电流密度大 ， 工作围广。半导体应变片是用半导体材料制成的 ,其工作原理是基于半导体材料 的压阻效 应。所谓压阻效应，是指半导

9、体材料在某一轴向受外力作用 时，其电阻率P发 生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时 , 其电阻相对变化为（ 3-10）式中/为P半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴 向所受的应变力关系为（ 3-11 ）式中：n 半导体材料的压阻系数。将式（ 3 - 11 ）代入式（ 3 - 10）中得（ 3-12 ）实验证明,n E比（1+2 口）大上百倍,所以（1+2 U）可以忽 略 ，因而半导体 应变片的灵敏系数为Ks = （ 3-13）半导体应变片突出优点是灵敏度高，比金属丝式高5080倍，尺 寸小 ， 横向效应小 ， 动态响应好。但它有温度系数大 ， 应变时非线 性比较严重等缺点。