應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償

1、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)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=RO ( 1+ a 0 A t )(3 - 14)式中：Rt 溫度為t C時(shí)的電阻值；R0溫度為t 0 C時(shí)的電阻值；a 0 金屬絲的電阻溫度系數(shù)；A t 溫度變化值,A t=t -tO 。當(dāng)溫度變化A t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為A Rt=Rt - R0= RO a 0 A 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)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相

2、同時(shí)，不管環(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(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)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 C時(shí)的長度均為L0 ,它們的線膨脹系數(shù)分別為 B s和b g,假設(shè)兩者不粘貼,那么它們的長度分別為Ls= L0 ( 1+ B s t )( 3 -16)Lg= L0 ( 1+ B g A t )( 3 -17)當(dāng)二者粘貼在一起時(shí)，電阻絲產(chǎn)生的附加變形 A L,附加應(yīng)變和附加電 阻變化A R B分別為A L= Lg - Ls =(B g - B s ) L0 A t (3 - 18)= A LLO= (

3、B g - B s )A t (3- 19)A R B = KO RO &B = KO R0( B g - B s) A 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乎込嚴(yán)七占十比仙%兀% 十懇畑-蘆血2 aht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 , a 0 ,B s 以與被測試件線膨脹系數(shù) B g有關(guān)。2. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片

4、自補(bǔ)償兩大類。1線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償是最常用的且效果較好的線路補(bǔ)償法。圖3 - 4 所示是電橋補(bǔ)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(bǔ)償應(yīng)變片由上式可知,當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí),R1和RB對電橋輸出電壓U0的作用 方向相反。利用這一根本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。測量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件外表上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測試件材料完全相 同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。如圖3 - 4 所示。當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時(shí),R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t

5、 C的溫度場 中，調(diào)整電橋參數(shù)，使之到達(dá)平衡，有Uo=A ( R1R4-RBR3 ) =0( 3 - 2 )電源谷ww dia.nyu.0Lf gn, com圖3-4電橋補(bǔ)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-tO 時(shí)，兩個(gè)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),即時(shí)被測試件有應(yīng)變£的作用那么工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量 R仁R1K£ ,而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)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&

6、#163;有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。應(yīng)當(dāng)指出，假設(shè)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過程必須滿足四個(gè)條件 在應(yīng)變片工作過程中,保證R3 =R4。 R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)a ,線膨脹系數(shù)B ,應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。兩者線膨 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣 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(bǔ)償法這種溫度補(bǔ)償法是利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片，稱之為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片的工作原理可由式3 - 21 得出，要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必 須有a 0= -K0 (Pg- P s )( 3 - 27)上式說明，當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)P g

7、時(shí)，如果合理選擇敏感柵材 料,即其電阻溫度系數(shù)a 0、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)P S,使式3 - 27 成立,那么不管溫度如何變化,均有 Rt/ R0=0,從而到達(dá)溫度自補(bǔ)償 的目的。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、覆蓋層和引線等局部組成,如圖3 - 2 所示敏感柵是應(yīng)變片的核心局部，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)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

8、度一般在0.0030.01mm。其優(yōu)點(diǎn)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卩m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加 上保護(hù)層。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大 ，允許電流密度大，工作圍廣。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(shí)，其電阻率p發(fā) 生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對變化為尺尸(3-10) 式中Ap / p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)系為蟲匕=ET = N顯-百嚴(yán)3-11式中：n 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。將式3 -11代入式3 - 10中得 3