自热效应对电桥输出电压的干扰

自热效应对电桥输出电压的干扰

自热效应的定义

自热效应（Self-Heating Effect）是指电阻应变片在工作时，由于激励电流通过应变片电阻产生焦耳热（功率 $P=I^{2}R$），导致应变片温度升高。应变片电阻具有温度敏感性，其阻值变化由两部分组成：

• 真实应变引起的阻值变化：$\Delta R_{\epsilon }=R_{0}K\epsilon$，其中 $K$ 为应变灵敏系数，$\epsilon$ 为应变。
• 自热温度升高引起的阻值变化：$\Delta R_T=R_0\alpha \Delta T$，其中 $\alpha$ 为电阻温度系数，$\Delta T$ 为温升。

对电桥输出电压的干扰

在直流电桥（如惠斯通电桥）中，总阻值变化 $\Delta R=\Delta R_{\epsilon }+\Delta R_T$。电桥输出电压（单臂工作）近似为：
$U_o=\frac{U_i}{4}\frac{\Delta R}{R_0}=\frac{U_i}{4}(K\epsilon +\alpha \Delta T)$
因此，自热效应产生的 $\alpha \Delta T$ 项叠加在真实应变信号上，形成虚假输出，导致测量误差。

工程理解与抑制措施

• 热平衡分析：温升 $\Delta T$ 与功率和热阻 $R_{th}$ 成正比：$\Delta T=I^{2}R·R_{th}$。激励电流越大、应变片阻值越高、散热条件越差，自热效应越严重。
• 工程措施：

1. 限制激励电压/电流，控制在应变片允许的功率范围内（通常每平方毫米面积功率不超过几十毫瓦）。
2. 选用高电阻值（如 350 Ω 或 1000 Ω）的应变片，在相同电压下电流更小。
3. 采用脉冲供电或交流激励，利用热惯性减小平均温升。
4. 选择散热良好的基底和粘贴胶，或使用自补偿应变片（温度补偿片可抵消部分自热影响）。

自热效应属于系统误差，在精密应变测量中必须关注，尤其是在静态或准静态测量时影响更为明显。