温度误差（应变片）

温度误差（应变片）

温度误差是指因环境温度变化或应变片自身发热导致电阻应变片电阻额外变化而产生的测量误差。这是电阻应变片测量中必须解决的关键问题。

误差来源

温度误差由两个主要因素引起：

1. 电阻温度系数：应变片敏感栅材料的电阻值随温度变化，变化量为ΔRₜ = R₀α₀Δt，其中α₀为电阻温度系数。
2. 线膨胀系数差异：敏感栅材料与被测件材料的线膨胀系数不同，导致应变片产生附加应变。若敏感栅材料线膨胀系数为βₛ，被测件线膨胀系数为β₉，则因膨胀差异引起的附加应变与(β₉ - βₛ)Δt成正比。

定量表达式

因环境温度变化导致的附加电阻相对变化量为：
$\frac{\Delta R_t}{R_0}={\alpha }_0\Delta t+K({\beta }_g-{\beta }_s)\Delta t$

对应的应变为：
${\epsilon }_t=\frac{\Delta R_t/R_0}{K}=[\frac{{\alpha }_0}{K}+({\beta }_g-{\beta }_s\left)\right]\Delta t$

其中：

• Δt — 环境温度的变化量（或自热引起的温升）
• K — 应变片灵敏度系数
• α₀ — 敏感栅材料的电阻温度系数
• βₛ — 敏感栅材料的线膨胀系数（记为βₛ或β_s）
• β₉ — 被测试件的线膨胀系数（记为β₉或β_g）

自热温度误差的量化分析

应变片自身发热会导致显著的温度误差。通过一个具体计算实例可直观展示其严重性：

• 应变片R₁初始电阻100Ω，电源电压10V
• 流过R₁的电流0.05A，功耗0.25W
• 工作10分钟消耗能量150J，导致温升15°C
• 电阻温度系数α=4.28×10⁻³/°C
• 温度变化后电阻变为106.42Ω
• 温度误差导致的输出电压Uo=0.1555V

对比：同样条件下，拉力作用（应变ε=0.005）产生的输出电压仅为0.0249V。温度误差导致的输出电压是应变信号的6倍以上，凸显了温度补偿的必要性。

影响因素

温度误差的大小取决于三个因素：

1. 环境温度的变化量（或自热温升）
2. 电阻应变片自身的性能参数（电阻温度系数、灵敏度系数、线膨胀系数）
3. 被测试件的线膨胀系数

补偿方法

常用而有效的补偿方法包括：

• 电桥补偿法：利用惠斯通电桥相邻臂电阻变化相消的原理消除温度误差，是主要的工程方法。
• 采用补偿应变片：粘贴于与试件材料相同的补偿块上，使其只感受温度变化而不受力，接入电桥相邻臂进行补偿。
• 限制测量时间：避免长时间测量导致自热温升过大。
• 恒温措施：对电阻应变片实施恒温控制，减小温度波动。

相关概念

• 电桥补偿法
• 惠斯通电桥
• 补偿块
• 半导体电阻应变片
• 金属电阻应变片
• 灵敏度系数（应变片）
• 应变电阻式传感器