电阻应变计的温度效应及其补偿

2.3　电阻应变计的温度效应及其补偿

2.3.1　温度效应及其热输出

上节讨论的应变计主要工作特性及其性能检定，通常都是以室温恒定为前提的。实际应用应变计时，工作温度可能偏离室温，甚至超出常温范围，致使工作特性改变，影响输出。这种单纯由温度变化引起应变计电阻变化的现象，称为应变计的温度效应。在常温下这种温度效应主要是温度变化对敏感栅影响的结果。

设工作温度变化为Δt℃，则由此引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为

式中，α_t——敏感栅材料的电阻温度系数；

K——应变计的灵敏系数；

β_s、β_t——分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。

上式即应变计的温度效应；相对的热输出为

由上式（2-19）和式（2-20）不难看出，应变计的温度效应及其热输出由两部分组成:前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。

2.3.2　热输出补偿方法

热输出补偿就是消除ε_t对测量应变的干扰。常采用温度自补偿法和桥路补偿法。

1.温度自补偿法

这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿的。

（1）单丝自补偿应变计　由式（2-20）可知，欲使热输出ε_t＝0，只要满足条件

α_t＝-K（β_s-β_t）　　　　　　　　　（2-21）

在研制和选用应变计时，若选择敏感栅的合金材料，其α_t、β_t能与试件材料的β_s相匹配，即满足式（2-21），就能达到温度自补偿的目的。为使这种自补偿应变计能适用于不同βs材料的试件，实际常选用康铜、卡玛、伊文、铁铬铝等合金作栅材，并通过改变合金成分及热处理规范来调整α_t，以满足对不同材料试件的热输出补偿。这种自补偿应变计的最大优点是结构简单，制造、使用方便。

图2-10　双丝自补偿应变计

（a）丝绕式；（b）短接式

（2）双丝自补偿应变计　这种应变计的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串接而成，如图2-10所示。应变计电阻R由两部分电阻R_a和R_b组成，即R＝R_a＋R_b。当工作温度变化时，若R_a栅产生正的热输出ε_at与R_b栅产生负的热输出ε_bt，能大小相等或相近，就可达到自补偿的目的，即^［10］

满足上式的参数，可在同种试件上通过试验确定。这种应变计的特点与单丝自补偿应变计相似，但只能在选定的试件上使用。

2.桥路补偿法

桥路补偿法是利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的。

图2-11 双丝半桥式热补偿应变计

（1）双丝半桥式　这种应变计的结构与双丝自补偿应变计雷同。不同的是，敏感栅是由同符号电阻温度系数的两种合金丝串接而成，而且栅的两部分电阻R₁和R₂分别接入电桥的相邻两臂上:工作栅R₁接入电桥工作臂，补偿栅R₂外接串接电阻R_B（不敏感温度影响）后接入电桥补偿臂；另两臂照例接入平衡电阻R₃和R₄，如图2-11所示。当温度变化时，只要电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿目的，即

而外接补偿电阻为

式中，ε_1t、ε_2t——分别为工作栅和补偿栅的热输出。

图2-12　补偿块半桥热补偿应变计

这种热补偿法的最大优点是通过调整R_B值，不仅可使热补偿达到最佳状态，而且还适用于不同线膨胀系数的试件。缺点是对R_B的精度要求高，而且当有应变时，补偿栅同样起着抵消工作栅有效应变的作用，使应变计输出灵敏度降低。为此应变计必须使用ρ大、a_t小的材料作工作栅，选ρ小、a_t大的材料作补偿栅。

（2）补偿块法　这种方法是用两个参数相同的应变计R₁、R₂。R₁贴在试件上，接入电桥作工作臂，R₂贴在与试件同材料、同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上，接入电桥相邻臂作补偿臂（R₃、R₄同样为平衡电阻），如图2-12所示。这样，补偿臂产生与工作臂相同的热输出，通过差接桥，起了补偿作用。这种方法简便，但补偿块的设置受到现场环境条件的限制。

在上述常用方法的补偿原理基础上作进一步扩展，还可引出其他一些补偿方法。如在测量电桥输出端接入热敏元件补偿法；采用共基底双栅（或四栅）应变计，接成半桥（或全桥）的补偿法等等，这里不再一一列举^［10］。