应变片的温度误差及补偿
应变片测量温度补偿
应变片测量温度补偿在工业生产和科学研究中，温度是一个非常重要的物理量。
准确地测量温度对于保证产品质量、实现工艺优化以及科学研究的准确性至关重要。
然而，由于环境和材料等因素的影响，传统的温度测量方法往往存在一定的误差。
为了减小这些误差，科学家们设计出了应变片测量温度补偿的方法。
应变片是一种能够感知物体形变的传感器，它可以通过测量物体的应变来间接地推断出温度。
应变片的原理非常简单，它利用了材料在受力下发生形变的特性。
当物体受到外力作用时，它会发生形变，而应变片可以感知到这种形变，并将其转化为电信号输出。
通过对应变片输出的电信号进行分析，我们就可以获得物体的应变情况，从而推断出物体的温度。
然而，应变片的测量结果并不总是准确的。
这是因为应变片的输出信号不仅受到温度的影响，还受到其他因素的干扰。
为了排除这些干扰因素对温度测量结果的影响，科学家们引入了温度补偿的概念。
温度补偿是一种通过测量其他参量来消除应变片输出信号中温度引起的误差的方法。
具体而言，科学家们通过同时测量物体的温度和其他参量（如应变、压力等），并建立起它们之间的数学模型。
通过分析这个数学模型，我们可以根据其他参量的测量结果来推断出物体的温度，从而实现温度补偿。
温度补偿的关键在于建立准确的数学模型。
这个数学模型需要考虑到应变片的特性、物体的材料参数以及其他参量的影响。
科学家们通过大量的实验和理论分析，不断改进和完善数学模型，以提高温度补偿的准确性和可靠性。
温度补偿在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。
例如，在汽车制造中，应变片测量温度补偿可以用于发动机的温度监测，从而实现对发动机工作状态的准确控制。
在航天器的设计中，应变片测量温度补偿可以用于航天器表面温度的实时监测，以保证航天器的安全运行。
在材料科学研究中，应变片测量温度补偿可以用于材料的热膨胀系数的测量，从而帮助科学家们理解材料的热力学性质。
应变片测量温度补偿是一种有效提高温度测量准确性的方法。
电阻应变片测量中温度误差的补偿方法
R1 R2
=
△R2t/ △R1t/
R2 R1
而其中 ( △R1t) = - ( △R2t)
3 、小结
311 温度变化引起应变片敏感栅电阻变
化而产生附加应变和试件材料与敏感栅材料
的线膨胀系数不同 ,使应变片产生附加应变
等两个原因是造成应变片温度误差的主要原
因。
312 这里介绍的温度误差补偿方法 ,由于
△1t1 ———温度变化 △t 时应变丝的膨胀 量;
△1t2 ———温度变化 △t 时试件的膨胀量 ; 如果β丝 和β试 不相等 ,则从式 (6) 、(7) 可 知 , △1t1和 △1t2也就不相等 。但是 ,应变丝和 试件是粘连在一起的 ,若β丝 <β试 ,则应变丝 被迫从 △1t1拉长至 △1t2 ,这时就使应变丝产
No. 1 Vol . 9
Journal of Hulunbeir College Published in Mar. 2001
电阻应变片测量中温度误差的补偿方法
梁立凯
抚顺职工大学 辽宁抚顺市 113008
摘 要 :电阻应变式传感器的实际工程中应用较广 ,但是由于温度变化引起应变片电阻变化对测量精
参数和试件的线膨胀系数 ,就在测量中对其 产生影响较大的环境温度变化 ,探讨补偿方 法。
2 、温度误差的补偿方法 温度误差的补偿方法 ,基本上分为桥路 补偿和应变片自补偿两种 。 211 桥路补偿法 桥路补偿法也称补偿片法 。应变片通常 是作为平衡电桥的一个臂测量应变的 ,利用 电桥的和差特性 ,电桥的输出反映相邻桥臂 电阻值变化相减的结果 ,如图 1 (a) 所示 , R1 为工作片 ,R2 为补偿片 。 工作片 R1 粘 贴在被测工作的 需要测量的部位 , 补偿片 R2 粘贴在 一块不受力的与 被测试件的相同 的材料上 ,这块 材料自由地放在 试件上或附近 ,如图 1 ( b) 。当温度发生变化 时 ,工作片 R1 和补偿片 R2 的电阻都发生变
电阻应变传感器的温度误差及其补偿
➢ 由于温度变化引起电阻应变片阻值的变化与被测量引起的阻值的变化几乎 有相同的数量级。
➢ 若不采取适当的补偿措施，电阻应变传感器将无法工作。 ➢ 引起温度误差的主要因素有：
1. 应变片本身电阻随温度的变化引起误差。该项温度误差可用半桥或全桥 测量电路获得较好的补偿效果。
2. 应变片材料的线膨胀系数与基底材料的线膨胀系数不同引起温度误差。 为消除该项温度误差主要是采取应变片自补偿方法，在制造传感器时已 加以考虑。
对使用者来说，最好的补偿方法是采用半桥或全桥测量电路。
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3.1的弹性模量随温度变化引起的误差。 ➢ 电阻应变片制造好后，用粘合剂粘贴到测试件上成为电阻应变传感 器。被测量作用于测试件下，应变片跟着测试件产生机械变形，从 而形成电阻应变片阻值发生变化。 ➢ 由于测试件的弹性模量随着温度的增加而减小，在被测量不变的情 况下，应变片产生的应变量增加。
➢ 因此，传感器桥路输出电压随温度的增加 而增加，从而引起温度附加误差。该项误差 不能采用半桥或全桥测量电路加以克服，必 须采用适当的补偿措施。
Uo
U 2
k (1
)
U () k() C 2
图3-T8 弹性模量的温度补偿
电阻应变式传感器的温度误差及其补偿.
电阻应变式传感器的温度误差及其补偿
一、温度误差及其产生的原因
1．温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变
2．试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变
二、温度补偿方法
1．桥路补偿法
结构：补偿应变片粘贴于补偿块上（与试件相同的材料），补偿块不受应力。
电路：测量片与补偿片构成半桥（全桥）差动电路。
原理：温度变化引起的应变片电阻变化为相同方向，通过电桥消除影响。
2．应变片自补偿法
方法一
结构：特殊材料构成应变片。
原理：使温度与线膨胀产生的附加应变相互抵消或减小。
条件：
缺点：局限性大。
一种应变片只能用于一种试件材料。
方法二
结构：用两种不同材料构成应变片。
原理：两种不同材料的温度系数不同，选择适当的材料，使电阻变化减小或消除。
条件：。
电阻应变片的温度效应,采用桥路补偿法,求解释原理
电阻应变片的温度效应,采用桥路补偿法,求解释原理
应变片是一种传感器，它主要是利用物质的应变特性，优化把力量或压力转变为电信号，传输到相应仪器读取：测量压力、力、温度及其他现象。
然而，由于温度的变化，应变片传感器也会受到影响，因此，必须采用温度补偿方法来降低温度的影响。
其中，最常见的一种温度补偿方式是桥路补偿法。
桥路补偿法广泛应用于对电阻应变片的温度补偿，其原理是将受温度影响的应变片电阻与两个相同介质中的固定电阻组成四支桥，以消除不同电阻器温度补偿变化而产生的误差，确保电阻应变片具有可靠的工作特性。
桥路补偿法根据电阻应变片的温度效应，利用等效电路原理，将温度补偿置于四支桥中，获取输出值。
部分电阻应变片采用了特殊结构，引入了温度补偿器，这种特殊结构有助于增强电阻应变片的温度补偿能力。
此外，有的四支桥包含五个电阻器，把第五电阻器并入桥中，可以使温度补偿值获得更大的调节空间。
总之，桥路补偿法是一种常用的温度补偿方式，广泛应用于对电阻应变片的温度补偿。
该原理根据电阻应变片的温度效应，将其置于四支桥中，消除不同电阻器温度补偿变化而产生的误差，确保电阻应变片具有可靠的工作特性。
电阻应变片的温度误差补偿
电阻应变片的温度误差补偿电阻应变片是一种广泛应用于温度测量和补偿的传感器。
然而，由于电阻应变片本身的温度特性，会产生一定的温度误差。
为了提高测量的准确性，我们需要进行温度误差补偿。
电阻应变片的温度误差主要来源于两个方面：一是电阻本身的温度系数，二是电阻应变片的热电效应。
在实际应用中，我们需要通过一系列的补偿手段来消除这些误差。
电阻应变片的温度系数是指电阻值随温度变化而变化的程度。
一般来说，电阻的温度系数是一个正值，也就是说，随着温度的升高，电阻值会增大。
这就导致了在实际测量中，当温度变化时，电阻应变片的电阻值也会发生变化，从而影响到测量结果的准确性。
为了消除这种影响，我们可以通过在电路中引入补偿电阻来抵消电阻值的变化。
补偿电阻的值可以根据电阻应变片的温度系数来确定，以实现温度误差的补偿。
电阻应变片还存在着热电效应，即在温度变化时会产生热电势。
这种热电势同样会对测量结果产生影响。
为了消除热电效应带来的误差，我们可以采用热电偶进行补偿。
热电偶是由两种不同材料的导线组成的，当两个导线的温度不一样时，就会产生热电势。
通过将热电偶与电阻应变片连接在一起，可以通过测量热电势来推算出电阻应变片的温度，从而实现误差的补偿。
除了上述两种方法外，还可以采用温度传感器进行补偿。
温度传感器可以直接测量环境的温度，并将测量结果反馈给控制系统。
通过与电阻应变片进行比较，可以得出温度误差，并进行相应的补偿。
常见的温度传感器有热敏电阻、热电阻和热电偶等。
这些传感器在不同的应用场景中具有不同的特点和优势，可以根据实际需求选择合适的传感器进行温度误差补偿。
电阻应变片的温度误差补偿是提高测量准确性的重要手段。
通过引入补偿电阻、热电偶或温度传感器等方法，可以消除电阻应变片的温度误差，使测量结果更加准确可靠。
在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的补偿手段，并进行相应的校准和调试，以确保温度误差补偿的有效性和可靠性。
只有这样，才能保证电阻应变片在各种温度条件下的准确测量和可靠应用。
测量中应变片的误差分析
温度系数不同， 一个为正， 一个为负的特
性， 将两者串联绕制成敏感栅 。
若 两 段 敏 感 栅 Ｒ１ 和 Ｒ２ 由 于 温 度 变
化而产生的电阻变化为大小相等而符号相
反， 就可以实现温度补偿。电阻 Ｒ１ 和 Ｒ２ 的
比值关系由下式决定：
Ｒ１ Ｒ２
＝
△Ｒ２ｔ／Ｒ２ △Ｒ１ｔ／Ｒ１
（１５）
其中（ Ｒ１ｔ） ＝－（ Ｒ２ｔ）
作者单位： 中南大学土木建筑学院
参考文献 ［１］王 化 祥 ， 传 感 器 原 理 及 应 用［Ｍ］， 天 津 ：天
津大学出版社， １９８８．９．３０－ ３１。 ［２］栾 桂 冬 ， 传 感 器 及 其 应 用［Ｍ］， 西 安 ：西 安
电子科技大学出版社， ２００２．１．２６－ ２７。 ［３］张 建 民 ， 传 感 器 与 检 测 技 术［Ｍ］， 北 京 ：机
引起的电阻变化为
△Ｒｔ!＝Ｒ０Ｓ!ｔ!＝Ｒ０Ｓ（ !２－ !１） △ｔ
（ １１）
３、由于温度变化△ｔ 而 引 起 的 总 电 阻
变化为：
△Ｒｔ＝ △Ｒｔ"＋ △ Ｒｔ!＝ Ｒ０ " △ｔ＋Ｒ０Ｓ（ !２－ !１）
△ｔ
（ １２）
这样， 由于温度变化产生的总的虚假
应变量为：
"ｔ＝（ △Ｒｔ／Ｒ０） ／Ｓ＝α△ｔ／Ｓ＋（ !２－ !１） △ｔ （ １３）
化于人以外的各种设备中， 并由这些设备 与办公人员构成服务于某种目标的人机信 息处理系统。其目的是尽可能充分的利用 信 息 资 源 ， 提 高 生 产 率 、工 作 效 率 和 质 量 ， 节省时间， 辅助决策、求取更好的经济效 果， 以达到既定的目标。目前的办公自动化 系统是以知识管理为核心， 建立在企业 Ｉｎｔｒａｎｅｔ 平台上， 旨在帮助企业实现动态的 内容和知识管理。办公自动化表现出以下 特点： 第一， 其应用背景由单纯的模拟手工 办公环境的运用， 向一个要求更高的电子 化协同工作环境转化， 其环境必须为用户 提供一个打破部门界限的网络互动式办公 作业环境； 第二， 对于办公自动化的理念有 了新的定义， 由原先作为企业行政办公信 息化服务的概念， 逐步扩大延伸到企业的 各项业务管理环节， 成为企业运营信息化 和数字化的一个重要组成环节； 第三， 其外 延部分得到了迅速的扩展， 其中知识管理 理念的渗透表现尤为突出。
为什么采用电阻应变片测量应变时,一般都需采取温度补偿措施？如何实现补偿？
答：采用电阻应变片时，采取温度补偿的原因：一是温度的变化会引起应变片阻值的变化，这与采用电阻应变片测材料的应变时应只有应变引起电阻应变片的阻值发生变化的初衷不符，对测量结果会产生较大的影响；二是被测材料与应变片的线膨胀系数不同，使得粘在材料上的应变片的应变与材料的应变不一致而引起测量误差。因此采用电阻应变片测量应变时，一般都需采取温度补偿措施。
补偿办法：采用桥路补偿。如图，R1为工作片，R2为补偿片。工作片作为平衡电桥的一个臂测量应变的，利用电桥的和差特性，电桥的输出反映相邻桥臂电阻值变化相减的结果。工作片RI粘贴在被测工作的需要测量的部位，补偿片R2粘贴在一块不受力的与被测试件的相同的材料上，这块材料自由地放在试件上或附近。当温度发生变化时，工作片R1和补偿片R2的电阻都发生变化，但他们的温度变化是相同的，即 ，R1和R2因接在相邻的桥臂上，所以对电桥输出的影响互相抵消掉，从而起到温度补偿作用。
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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=R0 （1+ α 0 Δ t ）(3 - 14)
式中: Rt——温度为t ℃时的电阻值;
R0——温度为t 0 ℃时的电阻值;
α 0——金属丝的电阻温度系数;
Δ t——温度变化值, Δ t=t -t0 。
当温度变化Δ t 时, 电阻丝电阻的变化值为
Δ Rt=Rt- R0= R0 α 0 Δ 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 ℃时的长度均为L0 ，它们的线膨胀系数分别为β s 和β g, 若两者不粘贴, 则它们的长度分别为
Ls= L0 （1+ β s Δ t ）（3 - 16 ）
Lg= L0 （1+ β g Δ t ）（3 - 17 ）
当二者粘贴在一起时, 电阻丝产生的附加变形Δ L, 附加应变εβ和附加电阻变化Δ R β分别为
Δ L= Lg - Ls = （β g- β s ）L0 Δ t (3 - 18)
εβ = Δ LL0= （β g- β s ）Δ t (3 - 19)
Δ R β = K0 R0 εβ = K0 R0( β g- β s) Δ t (3 - 20)
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ε t, 有
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 ，α 0 ，β s ）以及被测试件线膨胀系数β 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 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, 有
Uo=A （R1R4-RBR3 ）=0 （3 – 2 ）
图3-4 电桥补偿法
工程上, 一般按R1 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻。
当温度升高或降低Δ t = t-t0 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+ Δ R1t ）R4-(RB+ Δ RBt)R3 ］=0 (3 - 25) 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Δ R1=R1K ε , 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 = AR1R4K ε （3 - 26 ）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。
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:
①在应变片工作过程中, 保证R3 =R4 。
②R1 和RB 两个应变片应具有相同的电阻温度系数α , 线膨胀系数β , 应变灵敏度系数K 和初始电阻值R0 。
③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。
④两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 - 21 ）得出, 要实现温度自补偿, 必须有
α 0= -K0 （β g- β s ）（3 - 27 ）
上式表明, 当被测试件的线膨胀系数β g 已知时, 如果合理选择敏感栅材料, 即其电阻温度系数α 0 、灵敏系数K0 和线膨胀系数β s, 使式（ 3 - 27 ）成立, 则不论温度如何变化, 均有Δ Rt/ R0=0, 从而达到温度自补偿的目的。
一、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0.003 ～0.01mm 。
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 μ 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, 工作范围广。
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，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时, 其电阻率ρ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Δρ/ ρ为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: π ——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, π E 比（1+2 μ）大上百倍, 所以（1+2 μ）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50 ～80 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。