用應變計測量：如何消除不必要的溫度影響

使用應變片進行測量時，溫度變化可能會對測量結果產生不良影響。幸運的是，有許多選擇。通過使用半橋或全橋惠斯通電橋電路，或通過選擇適合的應變片或進行計算，最大程度來消除溫度對測量結果產生的影響。

箔式應變片的溫度范圍受到使用的材料限制。最大溫度范圍約為300°C至400°C。如果必須在較高的溫度下進行測量，則必須使用使用不同原理的高溫應變片。HBM應變計溫度范圍為：

• 預制引線應變片：150°C

• Y + G系列：200°C

• C系列：250°C

• M系列：300°C

當然，您使用的粘合劑的溫度限制也必須遵守。如果溫度升高時粘合劑變軟，則無法準確地傳遞應變。因此必須了解粘合劑的溫度限制。粘合劑分為冷固化和熱固化兩種：這取決于室溫下固化是否足夠，是否需要烤箱。HBM提供的粘合劑的溫度限制為：

• X60：60°C

• Z70：120°C

• P250：250°C

• X280：280°C

• EP310N：310°C

1 影響量

應特別注意這兩個影響量：

• 材料膨脹（“表觀應變”）
• 測量電纜的電阻產生的影響

除了這兩個主要因素外，溫度效應還會影響其他量。然而，這些影響的總和可以忽略，通?？梢酝ㄟ^計算補償方式來消除（參見下面的計算補償說明）。

1.1 對于材料膨脹（“表觀應變”）我們應該如何處理

被測材料隨著溫度的升高而膨脹。該膨脹由材料的膨脹系數決定。對于鋼來說，約為11ppm/K，也就是增加 1攝氏度，產生11μm/m的膨脹。材料膨脹受溫度變化的影響，最終導致產生“表觀”應變，換句話說可以說是無負載下的應變。

變化量  

在這種情況下，最好的應對措施是采用自補償應變片。這些應變片溫度特性適用于特定材料，可以補償表觀應變（補償測量體溫度產生膨脹）。

1.2 對于電纜電阻產生的變化如何處理

當使用兩線制電路時，測量電纜的電阻被施加到應變片電阻上，因此將影響測量。除了產生的零漂并導致K系數下降外，測量電纜的電阻也與溫度有關。 在這種情況下，合適的對策是使用如下所述的多線技術。

1.3 K系數的溫度系數

K系數是應變片最重要的特性。它描述了應變與電阻變化之間的相關性。K 系數是具有溫度依賴性的。典型的K系數為0.01％/ K，其對測量結果的影響通常相對較小，因此大都可被忽略。然而，通過計算進行補償（對于溫度測量）也是可行的。

1.4 彈性模量的溫度依賴性

彈性模量是測量體的材料依賴性。它描述了測量的應變和機械應力之間的相關性。彈性模量也是具有溫度依賴性的。鋼的典型值約為。-0,02％/K。在實驗應力分析中，通常忽略彈性模量的影響。使用可以校準的高精度傳感器，通過橋路中具有溫度依賴性的鎳元素進行補償。

1.5 應變片的自熱（激勵電壓）

與測量體相比，激發電壓會應變片變熱。根據測量體的熱導率，熱傳導或多或少被測量體吸收。如果測量體導熱不良，結果可能是測量體與應變片之間的溫度差。如果過大的激勵電壓，可能會干擾自補償應變片的性能。

1.6 氣候和相對濕度

如果測量點沒有得到充分的保護，相對濕度可能會發生零點漂移。這是由于粘合劑和應變片載體材料的水分子被吸收（吸濕）。合適的對策是小心地保護測量點。

1.7 粘合劑蠕變

隨著溫度的升高，粘合劑變軟，不再能夠轉移100％的應變。可能會導致K系數降低。因此，必須始終遵守粘合劑的溫度限制，并在根據適用領域選擇。

2 補償措施

2.1 使用自補償應變計

自補償應變片專門用于通過其自身的溫度特性來補償某些材料的溫度特性。這意味著它們會抵消表觀應變（從而抵消測量體的溫度引起的膨脹）。因此，應選擇具有適合于測量體的材料的溫度響應的應變片。

常用材料自補償應變片溫度調整：

編號	材料 (examples)	α (·10-6 / °K)
1	鐵素體鋼	10.8
3	鋁	23
5	奧氏體鋼	16
6	二氧化硅/復合材料	0.5
7	鈦/灰口鑄鐵	9.0
8	塑料	65
9	鉬	5.4

選擇適應不同材料的應變片可以補償大部分表觀應變。剩余誤差為非線性分量。此誤差可以在生產過程中測量，并包含在數據表中。另外，如果溫度變化較大，您還可以通過計算補償。

2.2 惠斯通電橋和多線制電路

使用自補償應變片，連接組成半橋或全橋電路或是三線或四線電路是補償的另一重要方法，其可以最小化甚至完全消除電纜電阻產生的影響。

惠斯通電橋電路將極小的電阻變化轉換為可測量的電壓。四個電阻可以由一個（四分之一橋電路），兩個（半橋電路）或四個（全橋電路）應變片代替。

由于在惠斯通電橋中各個橋臂不同，所以有補償的可能性。該溫度補償效果可以基于彎曲梁的示例來證明：在正負載下，彈性體在頂部為正應變應（+）和底部負應變（ - ）。

如果兩個應變片連接到惠斯通電橋，結果是將信號加倍。如果發生溫度依賴性應變，產生的應變將出現在兩個應變片上，并具有相同的信號。因此可以在惠斯通電橋中相互抵消。

可通過三線電路選擇性地補償電纜電阻的影響。為了做到這一點，電源線和另外三個引線連接到惠斯通電橋的不同橋臂上。由于兩個結構的對稱性相反，因此相互補償，除了是不對稱的電纜和溫度梯度，電纜電阻可由三線電路補償。

所有的電纜效應均可由HBM專利四線電路補償。

三線電路

四線電路

2.3 計算補償

對于自補償應變片的殘余誤差，對于未經調整的應變片誤差，以及其他小誤差（例如K系數的溫度依賴性），可以通過計算補償。

為了做到這一點，需要并行進行溫度測量，并通過在線或隨后的計算來校正測量的應變。同時也必須考慮溫度梯度。如有必要，必須提供多個測量點。來自HBM的catman?等軟件工具提供計算補償的功能。

2.4 使用載頻放大器

除了傳感器本身，放大器在溫度影響方面也起著重要的作用。這尤其適用于熱電電壓：

由于熱電效應，在連接不同材料的情況下會產生溫度依賴性電壓。熱偶就是利用這種效果。然而，這也對應變測量系統（溫度依賴性零誤差（零點返回））產生影響。

可以通過使用載頻放大器來補償熱電壓 (HBM QuantumX MX1615B / QuantumX MX1616B)。在這種情況下，存在正弦激勵電壓，使得測量信號可以被調制成周期信號。在信號通過濾波器之后，進行數字解調，使得準靜態熱電電壓可以在放大器中被濾除。