第3章 應(yīng)變片3溫度補(bǔ)償

.,3.3.4電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償1.電阻應(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。,.,原因：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：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(shù)；t溫度變化值，t=tt0,.,當(dāng)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(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時：不論環(huán)境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會產(chǎn)生附加變形。,.,當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。,.,設(shè)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(shù)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(dāng)兩者粘貼在一起時，電阻絲產(chǎn)生的附加變形l、附加應(yīng)變和附加電阻變化R分別為,.,.,由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對變化量為,.,折合成附加應(yīng)變量或虛假的應(yīng)變：,.,2.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。1)線路補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償最常用且效果較好。,.,.,.,電橋輸出電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為：,Uo=A(R1R4RBR3),A為常數(shù)，由橋臂電阻和電源電壓決定。當(dāng)R3和R4為常數(shù)時，R1和RB對電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一關(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償。,.,測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，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，且僅使工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡。,.,一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。當(dāng)溫度升高或降低t=tt0時，兩個應(yīng)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(tài)，即,.,若此時被測試件有應(yīng)變的作用，則R1又有新的增量R1=R1K，而補(bǔ)償片不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)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(yīng)變有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。,.,要實現(xiàn)完全補(bǔ)償，須滿足4個條件：在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。R1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的參數(shù)：電阻溫度系數(shù)線膨脹系數(shù)應(yīng)變靈敏系數(shù)K初始電阻值R0,.,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，兩者線膨脹系數(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)來補(bǔ)償。要實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有,.,當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)s，滿足上式。則不論溫度如何變化，均有Rt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?.,3.4電阻應(yīng)變片的測量電路由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)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(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，需要有專用的用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路電橋電路。根據(jù)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(dāng)RL時，電橋輸出電壓為,.,當(dāng)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(yīng)相等，或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。,.,3.4.1直流不平衡電橋的工作原理及電壓靈敏度應(yīng)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(jìn)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(dāng)受應(yīng)變時，若應(yīng)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(shè)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(fā)現(xiàn)：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(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇；電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。,.,當(dāng)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(dāng)R1=R2=R3=R4時，KU最高，此時有,.,.,當(dāng)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(guān)。,.,非線性誤差及其補(bǔ)償方法以上推導(dǎo)略去了分母中的R1/R1項，實際情況應(yīng)按下式計算，,.,.,輸出電壓與R1/R1的關(guān)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(yīng)變片，一個受拉應(yīng)變，一個受壓應(yīng)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(guān)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(bǔ)償作用。,.,若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，兩個受拉應(yīng)變，兩個受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)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(bǔ)償作用。,.,例題利用相減電路可構(gòu)成“稱重放大器”。圖中壓力傳感器是由應(yīng)變片構(gòu)成的惠斯通電橋，當(dāng)壓力(重量)為零時，Rx=R，電橋處于平衡狀態(tài)，ui1=ui2,相減器輸出為零。而當(dāng)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(guān)系式。試問，輸出電壓uo與重量(體現(xiàn)在Rx變化上)有何關(guān)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(yè)P.6132333435,.,32試述應(yīng)變片溫度誤差的概念、產(chǎn)生原因和補(bǔ)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(yīng)變片，并組成差動全橋電路，試問：四個應(yīng)變片應(yīng)怎樣粘貼在懸臂梁上？2.畫出相應(yīng)的電橋電路圖。,.,35一直流應(yīng)變電橋，E4v，R1=R2=R3=R4120，試求：1.R1為金屬應(yīng)變