第3章应变片温度补偿
电阻应变片的温度补偿方法
电阻应变片的温度补偿方法被动温度补偿是通过改变电阻应变片的结构和材料，使得在不同温度下电阻值的变化被抵消或减小。
常见的被动温度补偿方法有：使用温度敏感电阻、电压系数为负的电阻、产生相反应变的电阻。
一种常用的被动温度补偿方法是使用温度敏感电阻来对电阻应变片的电阻值进行补偿。
温度敏感电阻的电阻值随温度的变化而变化，通过测量温度敏感电阻的电阻值并进行相应的修正，可以抵消电阻应变片的温度变化对测量结果的影响。
另一种被动温度补偿方法是使用电压系数为负的电阻来进行补偿。
电压系数为负的电阻在温度升高时电阻值减小，可以与电阻应变片的电阻变化相互抵消。
还有一种被动温度补偿方法是采用产生相反应变的电阻。
通过在电阻应变片的背面粘贴一个保持相对固定的应变的电阻片，当电阻应变片发生应变时，这个补偿片会产生与之相反的应变，从而抵消温度对电阻值的影响。
然而，被动温度补偿方法有一个缺点，即只能在特定的温度范围内进行补偿，而难以覆盖广泛的温度范围。
因此，为了实现更精确的温度补偿，还需要采用主动温度补偿方法。
主动温度补偿是通过测量环境温度，并根据温度对电阻应变片电阻值的影响进行数学模型计算，从而实现对测量结果的温度补偿。
主动温度补偿一般使用微处理器或芯片实现，通过内部的温度传感器测量环境温度，并根据预先设定的温度-电阻曲线进行计算，将温度补偿值加入到实际测量值中，从而得到更准确的测量结果。
主动温度补偿方法需要事先进行温度-电阻曲线的测量和建模工作，以获得相对精确的补偿结果。
同时，还需要考虑其他因素对温度补偿的影响，例如温度梯度、温度变化速度等。
总的来说，电阻应变片的温度补偿方法有被动温度补偿和主动温度补偿两种。
被动温度补偿方法通过改变电阻应变片的结构和材料来减小温度对电阻值的影响；主动温度补偿方法则通过测量环境温度并进行数学模型计算，来实现对测量结果的温度补偿。
在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的温度补偿方法，以获得更精确的测量结果。
电阻应变测试原理及温度补偿方法实验
电阻应变测试原理及温度补偿方法实验一、实验目的１．掌握电阻应变片的粘贴技术。
２．初步掌握电阻应变片的绝缘处理、防潮、接线和粘贴质量检查等基本技术。
３．了解电测应力、应变实验原理与电桥接线方法。
二、实验设备及器材 １．电阻应变片。
２．试件。
３．万用表、兆欧表。
４．电烙铁、镊子、丙酮、细砂纸、药棉等工具和材料。
５．502胶水、连接导线、704胶。
６．烘干设备。
三、电测法基本原理电阻应变测量技术(简称电测法)，就是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量的一种实验方法，又称非电量电测法。
将电阻应变片粘贴在构件上，当构件受力变形时应变片也随之一起变形，应变片的电阻值发生变化，通过测量电桥将电阻变化转换成电压信号，经放大处理及模／数转换，最后直接输出应变值。
电测法在工程中得到广泛应用，其主要特点： (１) 尺寸小、重量轻、安装方便，对被测构件的应力分布不产生干扰。
(２) 精度和灵敏度高，最小应变读数为１με＝10。
6−(３) 测量范围广、适应性强，既能进行静态测试也能进行动态测试，频率响应范围从零到几万赫。
还可以在高、低温及高压、水中等特殊条件下进行测量。
(４) 可测量多种力学量。
采用应变片作为敏感元件制成各种传感器可测力、位移、压强、转角、速度、加速度、扭矩等。
但电测法也有局限性，其缺点是： (１) 只能测构件表面的应变，并且是有限个点，测量数据是离散的，难以得到整个应力-应变场的分布全貌。
(２)对于应力集中和应变梯度较大的部位，会引起比较大的误差。
四、电阻应变片１．工作原理 由物理学可知，金属导线的电阻为：Ｒ=A Ｌ/ρ (2 - 1)式中：ρ为导线材料电阻率；Ｌ为导线长度；A 为导线截面积。
当金属导线因受力变形引起电阻相对变化，对式(2-1)两边取对数再微分得：ＡＡＬＬＲＲd d d d −+=ρρ(2 - 2)式中：ρρd ≈ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=ＬL ＡＡＣＶＶＣd d d ； ε=ＬＬd ；⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==ＬＬＤＤＡＡd 2d 2d μＣ为与材料种类和加工方法相关的常数；Ｖ为体积；ε为应变；Ｄ为导线直径；μ为导线材料泊松比。
传感器实验报告应变片的温度效应及补偿
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。
（7）将F／V表的切换开关置20V档，把图中的R3换成应变片（补偿片），重复4－6过程。
（8）比较二种情况的F／V表数值：在相同温度下，补偿后的数值小很多。
（9）实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转至初始位置，四、数据处理（现象分析）（1）在完成步骤（5）调零之后，F/V表显示数值为0，此时室温20℃。
应变片的自补偿法
电阻应变片型号的编排规则
电阻应变片的型号包括内容如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅长度、敏感 栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接线方式。 如B F 350 -- 3 AA 80 （23） N6 – X的含义是：
B:表示应变计类别(B:箔式;T:特殊用途;Z:专用(特指卡玛箔))； F:表示基底材料种类(B:玻璃纤维增强合成树脂;F:改性酚醛;A:聚酰亚胺;E:酚醛-缩 醛;Q:纸浸胶;J:聚氨酯)； 350:表示应变计标准电阻； 3：表示敏感栅长度（mm）； AA：表示敏感栅结构形式； 80：表示极限工作温度（℃）； 23：表示温度自补偿或弹性模量自补偿代号(9:用于钛合金; M23:用于铝合金;11:用 于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢;16:用于奥氏体不锈钢和铜基材料;23:用 于铝合金;27:用于镁合金;)； N6：表示蠕变自补偿标号(蠕变标号:T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4， N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)； X：表示接线方式(X:标准引线焊接方式;D:点焊点;C:焊端敞开式;U:完全敞开式，焊 引线;F:完全敞开式，不焊引线；X**:特殊要求焊圆引线，**表示引线长度；BX**： 特殊要求焊扁引线，**表示引线长度；Q**: 焊接漆包线，**表示引线长度；G**:焊 接高温引线，**表示引线长度)。
阻值大，承受电压大，输出信号大，但同时敏感栅尺寸 也大。
3、灵敏系数
当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力 引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相 对变化ΔR/R。
R K
R
式中， ε为应变片的轴向应变。
定义 K=(ΔR/R)/ε为应变片的灵敏系数。
温度补偿的方法
温度补偿的方法：1 电桥补偿法：采用惠斯通电桥的板桥或全桥电路优点：简单，方便，在常温下补偿效果好.缺点：在温度变化梯度较大的条件下，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应变片的自补偿法：敏感栅丝由两种不同温系数或膨胀系数相反的金属丝窗帘组成，当温度变化时，产生的电阻变化或附加应变为零或相互抵消，这种应变片称自补应变片。
调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的相互抵消，通过调节两种敏感珊的长度来控制应变片的温度自补由于半导体材料对温度十分敏感，压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥型，其有恒流和恒压两种工作方式。
假设半导体应变片电阻R t的温度系数为α，灵敏度Ｋ的温度系数为β，加在传感器上的电压为V in，则电阻值、灵敏度随温度改变的表达式分别为：R T=R0（1+αT）（1）;K T=K0（1+βT）（2）则传感器输出为[2]：V out =（△R/R0）V in = K0（1+βT）εV in（3）式中，R0—基准温度时传感器的电阻值（初始值）；△R —压力引起的电阻变化；K0—基准温度时灵敏度；ε—应变系数。
由此式知，压力随温度的改变量和β的随温度的变化相同，具有较大负温度系数，温度系数为-0.002/℃~ -0.003/℃。
图1给出了不同掺杂浓度下P型硅片的灵敏度系数随温度变化的曲线[3]。
图中，从a 到e 各条曲线对应的掺杂浓度递增。
由图可知，P型应变电阻, 无论是轻掺杂还是重掺杂，其灵敏度系数均随温度的提高而逐渐减小。
由于各应变片阻值不可能匹配，且应变片的电阻温度系数在0.3%/℃左右，会造成零点漂移电压。
三、温度补偿原理与电路设计1、零位温漂补偿压阻式压力传感器的四个检测电阻多接为惠斯登电桥形式，其原理如图2（a）所示。
由惠斯登电桥原理可知，零位输出电压为：V out= （4）则常温下应使R2R4-R1R3=0[3]，得零位输出为0。
当外界温度为T 时，电桥零位输出变为：V out´=（5）若R2T R4T-R1T R3T>0，则温漂为正；若R2T R4T-R1T R3T<0，则温漂为负。
温度补偿的相关对应特性
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
U o A [R 1 ( R 1 t) R 4 ( R B R B ) R 3 t ] 0
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
UoAR 1R4K
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。
温度补偿的相关对应特性
应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下 4个条件：
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4 ② R1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（应变片型号相同） 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。（R1，RB所粘贴试件相同） ④ 两应变片应处于同一温度场。（应变片所处环境相同）
被测信息 敏感元件
转换元件
信号调理电路 输出信息
辅助电源
敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能 直接感受被测量的部分
转换元件(Transition element) 是指传感器中 能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的 电信号部分。
温度补偿的相关对应特性
转换元件 应变片电阻改变
应变片的自补偿法有（ 单丝自补偿 ）和（ 双丝组合式自补偿 ）
温度补偿的相关对应特性
1 2) 桥路补偿RB法
Uo
F
R1
F
R3
R4
RB
U
~
R1—工作应变R片B— ；补偿应变片
(a)
(b)
第3-3章 应力应变测量(电阻应变测量技术)
温度自补偿应变片法：通过对应变片的敏感栅材料和制造 工艺上采取措施，使其在一定温度范围内的ΔRt=0，该
方法常用于中、高温下的应变测量；
桥路补偿法：用于常温下。是通过布片和桥接的方法消除 温度影响。
3）桥路补偿法：
补偿块补偿法 工作片补偿法
Sichuan University
5
§3-3应变（应力）测量
二、 温度补偿
3）桥路补偿法：
补偿块补偿法：图a构件上的工作片和补偿块上的补偿片，接成板桥(图C）， 桥臂R1为工作片，桥臂R2为温度补偿应变片，阻值R1=R2，k也相同，粘贴工艺 也相同，处于相同温度场中，但补偿块不受力，故温度变化导致R1和R2的阻值 变化相同，根据电桥(相减)特性，电桥不会因温度变化而输出。故可消除温度 影响。
贴在主应力方向，而补偿片R3、R4贴在不受力的补偿块上，分别测出σ1、σ2方向 的应变ε1、ε2，可用下式计算
E 1 2 1 2 1 E 2 2 1 2 1
Sichuan University
σ2 ε2
ε1
ε3 ε4
Sichuan University
12
§3-3应变（应力）测量
3. 主应力方向未知的平面应力测量
从而求出主应力及其方向
E ( x y ) x 2 1 E ( y x ) y 2 1 E xy xy 2(1 )
臂，电桥测试精度提高了一倍。在两贴片位置的应变关系已知时，
可采用此法。
仪＝1 2 3 4
当单纯补偿片所用的补偿板和待测材 料不同时， 产生的虚假应变值εf为多大？
传感器原理及工程应用作业
目录第三章 (5)3-1.什么是应变效应？什么是压阻效应？利用应变效应和压阻效应解释金属电阻应变片和半导体应变片的工作原理。
(5)3-2.试述应变片温度误差的概念，产生原因和补偿方法。
(5)3.试用应变片传感器实现一种应用。
(6)第四章 (6)4-1.说明差动变隙式电感传感器的主要组成、工作原理和基本特征。
(6)4 -3.差动变压器式传感器有哪几种结构形式？各有什么特点？ (6)4-10.何为涡流效应？怎用利用涡流效应进行位移测量？ (7)4-11.电涡流的形成范围包括哪些内容？他们的主要特点是什么？ (7)5.用电感式传感器设计应用 (8)第五章 (8)5-1.根据工作原理可以将电容式传感器分为哪几类？每种类型各有什么特点？各适用于什么场合？ (8)5-9.简述差动式电容测厚传感器系统的工作原理。
(8)第六章 (9)6-1.什么叫正压电效应和逆压电效应？什么叫纵向压电效应和横向压电效应？ (9)6-3.简述压电陶瓷的结构及其特性。
(9)3.利用压电式传感器设计一个应用系统 (10)第七章 (10)7-4.什么是霍尔效应？霍尔电势与哪些因素有关？ (10)7-6.温度变化对霍尔元件输出电势有什么影响？怎样补偿？ (10)第八章 (11)8-1.光电效应有哪几种？相对应的光电器件有哪些？ (11)8-2.试述光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光电池的工作原理，在实际应用时各有什么特点？ (11)8-6.光在光纤中是怎样传输的？对光纤及入射光的入射角有什么要求？ (12)8-7.试用光电开关设计一个应用系统。
(13)第九章 (13)9-1.简述气敏元件的工作原理 (13)9-2.为什么多数气敏元件都附有加热器 (13)9-3.什么叫湿敏电阻？湿敏电阻有哪些类型？各有什么特点？ (14)第十章 (14)10-1.超声波在介质中传播具有哪些特性？ (14)10-2.图10-3中，超声波探头的吸收块作用是什么？ (15)10-3.超声波物位测量有几种方式?各有什么特点？ (15)10-5.已知超声波探头垂直安装在被测介质底部，超声波在被猜测介质中的传播速度为1460m/s，测得时间间隔为28μs，试求物位高度？ (15)第十一章 (15)11-1.简述微波传感器的测量机理。
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电桥仍处于平衡状态，
即
第3章应变片温度补偿
U o A [ ( R 1 R 1 t) R 4 ( R B R B t) R 3 ] 0
若此时被测试件有应变ε的作用， 则 R1 又有新的增量ΔR1=R1Kε， 而补偿片不承受应变，故不产生新 的增量，
第3章应变片温度补偿
此时电桥输出电压为
lg=l0(1+βgΔt)
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
第3章应变片温度补偿
llgls(gs)l0 t
l
l0
(g
s)t
R
K0
R0
R K 0 R 0 K 0 R 0 (gs) t
第3章应变片温度补偿
由于温度变化而引起的应变片总
则电桥不平衡， 输出电压为
第3章应变片温度补偿
R 1 R1 A
R3
B
Io
R2
C
R4 D
E 第3章应变片温度补偿
＋
RL Uo －
UoER1R 1 R 1R 1R2R3R 3R4
ER1R4
(R1R1R2)(R3R4)
R1 R4
E
R1 R3
1
R1 R2 R R 第31章应变片温度补1偿
1
第3章应变片温度补偿
电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为：
Uo= A (R1R4—RB R3)
A为常数， 由桥臂电阻和电源电压决定。 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。 利用这一关系可实现对温度的补偿。
第3章应变片温度补偿
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， 且仅使工作应变片承受应变。
3.3.4 电阻应变片的温度误差及补偿 1. 电阻应变片的温度误差 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。
第3章应变片温度补偿
原因： 1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化：
Rt=R0(1+α0Δt)
第3章应变片温度补偿
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
流的变化，需要有专用的用于测量应变
变化而引起电阻变化的测量电路——电 桥电路。
根据电源的不同，分为：
直流电桥
交流电桥
第3章应变片温度补偿
直流电桥的平衡条件
B
Io
R1
R2
A
C
R3
R4
D
E
第3章应变片温度补偿
＋
RL Uo －
当RL→∞时，电桥输出电压为
Uo
E
R1 R1 R2
R3 R3 R4
电阻相对变化量为
Rt R R
R0
R0
0 tK 0( gs) t
[ 0K 0( gs)] t
第3章应变片温度补偿
R t
R0
[ 0K 0( gs)] t
折合成附加应变量或虚假的应变：
t
R0 / R0 K0
[0
K0
( g
s )] t
第3章应变片温度补偿
2. 电阻应变片的温度补偿方法 线路补偿和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法 电桥补偿最常用且效果较好。
数 α0 、 灵 敏 系 数 K0 以 及 线 膨 胀 系 数 βs ， 满足上式。
则不论温度如何变化，
均有ΔRt/R0=0， 从而达到温度自补偿的目的。
第3章应变片温度补偿
3.4 电阻应变片的测量电路
由于机械应变一般都很小，要把微
小应变引起的微小电阻变化测量出来，
同时要把电阻相对变化转换为电压或电
E
R1
R1 R 4 R2
R2 R3
R3 R4
第3章应变片温度补偿
当电桥平衡时，Uo= 0， 则有
R1R4=R2R3
R1 R3
R2
R4
第3章应变片温度补偿
R1 A
R3
B
Io
R2
C
R4 D
E
第3章应变片温度补偿
＋
RL Uo －
欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的 比值应相等，
或相对两臂电阻的乘积应相等。
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。
第3章应变片温度补偿
U oA (R 1R 4R B R 3)0
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，
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。
第3章应变片温度补偿
2) 应变片的自补偿法 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。 要实现温度自补偿，必须有
0K0(gs)
第3章应变片温度补偿
当被测试件的线膨胀系数βg已知时， 合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系
R1 R2
R3 R4
第3章应变片温度补偿
3.4.1 直流不平衡电桥的工作原理及 电压灵敏度
应变片工作时，其电阻值变化很小， 电桥的输出电压也很小， 一般需加放大器进行放大。
第3章应变片温度补偿
由于放大器的输入阻抗比桥路输出 阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路 情况。
当受应变时，若应变片电阻变化为 ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压 Uo≠0，
R4 R3
第3章应变片温度补偿
当温度变化Δt 时，电阻丝电阻的变 化值为：
ΔRα=Rt—R0= R0α0Δt Rt=R0(1+α0Δt)
第3章应变片温度补偿
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。
Uo AR1R4K
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。
第3章应变片温度补偿
要实现完全补偿，须满足4个条件：
① 在应变片工作过程中，保证 R3=R4。
② R1和RB两个应变片应具有相同的参数： 电阻温度系数α 线膨胀系数β 应变灵敏系数 K 初始电阻值 R0
第3章应变片温度补偿
第3章应变片温度补偿
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。
第3章应变片温度补偿
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
第3章应变片温度补偿
ls=l0(1+βsΔt)