.,3.3.4電阻應變片的溫度誤差及補償1.電阻應變片的溫度誤差由于測量現場環境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。,.,原因：1)電阻溫度系數的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化：Rt=R0(1+0t),.,Rt溫度為t時的電阻值；R0溫度為t0時的電阻值；0溫度為t0時金屬絲的電阻溫度系數；t溫度變化值，t=tt0,.,當溫度變化t時，電阻絲電阻的變化值為：R=RtR0=R00t,Rt=R0(1+0t),.,2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時：不論環境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態一樣，不會產生附加變形。,.,當試件與電阻絲材料的線膨脹系數不同時，由于環境溫度的變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻變化。,.,設電阻絲和試件在溫度為0時的長度均為l0,它們的線膨脹系數分別為s和g，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為,.,ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt)當兩者粘貼在一起時，電阻絲產生的附加變形l、附加應變和附加電阻變化R分別為,.,.,由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為,.,折合成附加應變量或虛假的應變：,.,2.電阻應變片的溫度補償方法線路補償和應變片自補償兩大類。1)線路補償法電橋補償最常用且效果較好。,.,.,.,電橋輸出電壓Uo與橋臂參數的關系為：,Uo=A(R1R4RBR3),A為常數，由橋臂電阻和電源電壓決定。當R3和R4為常數時，R1和RB對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一關系可實現對溫度的補償。,.,測量應變時，工作應變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅使工作應變片承受應變。當被測試件不承受應變時，R1和RB又處于同一環境溫度為t的溫度場中，調整電橋參數使之達到平衡。,.,一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。當溫度升高或降低t=tt0時，兩個應變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態，即,.,若此時被測試件有應變的作用，則R1又有新的增量R1=R1K，而補償片不承受應變，故不產生新的增量，,.,此時電橋輸出電壓為電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應變有關，而與環境溫度無關。,.,要實現完全補償，須滿足4個條件：在應變片工作過程中，保證R3=R4。R1和RB兩個應變片應具有相同的參數：電阻溫度系數線膨脹系數應變靈敏系數K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，兩者線膨脹系數相同。兩應變片應處于同一溫度場。,.,2)應變片的自補償法利用自身具有溫度補償作用的應變片(稱之為溫度自補償應變片)來補償。要實現溫度自補償，必須有,.,當被測試件的線膨脹系數g已知時，合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數0、靈敏系數K0以及線膨脹系數s，滿足上式。則不論溫度如何變化，均有Rt/R0=0，從而達到溫度自補償的目的。,.,3.4電阻應變片的測量電路由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化轉換為電壓或電流的變化，需要有專用的用于測量應變變化而引起電阻變化的測量電路電橋電路。根據電源的不同，分為：直流電橋交流電橋,.,直流電橋的平衡條件,.,當RL時，電橋輸出電壓為,.,當電橋平衡時，Uo=0，則有R1R4=R2R3,.,.,欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等，或相對兩臂電阻的乘積應相等。,.,3.4.1直流不平衡電橋的工作原理及電壓靈敏度應變片工作時，其電阻值變化很小，電橋的輸出電壓也很小，一般需加放大器進行放大。,.,由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。當受應變時，若應變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為,.,.,.,.,設橋臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，,.,.,上式可寫為,.,電橋電壓靈敏度定義為,.,.,從上式分析發現：電橋電壓靈敏度正比于E，E越高，KU越高，但E的提高受到應變片允許功耗的限制，所以要作適當選擇；電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數，恰當地選擇n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。,.,當E值確定后，n取何值時才能使KU最高？,求得n=1時，KU為最大值。即，當R1=R2=R3=R4時，KU最高，此時有,.,.,當E和電阻相對變化量R1/R1一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關。,.,非線性誤差及其補償方法以上推導略去了分母中的R1/R1項，實際情況應按下式計算，,.,.,輸出電壓與R1/R1的關系是非線性的，非線性誤差為,.,如果是四等臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n=1，則,.,為了減小和克服非線性誤差，常采用差動電橋如圖3-10所示。,.,.,在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路。,.,該電橋輸出電壓為,.,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得,.,Uo與R1/R1成線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且KU=E/2，是單臂工作時的兩倍，同時還具有溫度補償作用。,.,若將電橋四臂接入四片應變片，兩個受拉應變，兩個受壓應變，將兩個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。,.,.,若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則,.,此時全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時的4倍，同時仍具有溫度補償作用。,.,例題利用相減電路可構成“稱重放大器”。圖中壓力傳感器是由應變片構成的惠斯通電橋，當壓力(重量)為零時，Rx=R，電橋處于平衡狀態，ui1=ui2,相減器輸出為零。而當有重量時，壓敏電阻Rx隨著壓力變化而變化，從此電橋失去平衡，ui1ui2，相減器輸出電壓與重量有一定的關系式。試問，輸出電壓uo與重量(體現在Rx變化上)有何關系。,.,.,將圖75電路簡化如圖76所示,那么,則,稱重放大器的簡化圖,圖中：,.,作業P.6132333435,.,32試述應變片溫度誤差的概念、產生原因和補償辦法。,.,33什么是直流電橋？若按不同的橋臂工作方式，可分為哪幾種？各自的輸出電壓如何計算？,.,34擬在等截面的懸臂梁上粘貼四個完全相同的電阻應變片，并組成差動全橋電路，試問：四個應變片應怎樣粘貼在懸臂梁上？2.畫出相應的電橋電路圖。,.,35一直流應變電橋，E4v，R1=R2=R3=R4120，試求：1.R1為金屬應變