由Albert E. Brendel

看一眼任何传感器的规格，你会注意到一个规格总是给出的最大误差，可以预期的温度变化。诸如0.002% FS /°F这样的限定是很常见的，是指温度引起的“零”读数的变化和温度引起的灵敏度变化，这种变化可能会随着温度的变化而发生。温度规范的存在应该提醒读者，他将要购买或使用的传感器不仅对力敏感，而且在许多方面对温度同样敏感....有些很明显，有些不那么明显。在这篇文章中，我将尝试解释为什么传感器对温度敏感，以及制造商和用户使用的方法，以减少可能降低其系统精度或可能损坏传感器的热效应。

温度最明显的效果之一是热膨胀。所有材料随着较温暖的速度而膨胀（具有在原子水平上正在进行内部结构变化的材料的一些特殊例外）。它们不仅扩大，而且大多数工程材料以明确的速率扩展。大多数钢的速率以每°F百万百万的速度扩展，这可以解释为最初1.000000“长”的钢结构，如果其温度增加1°F，则最初的钢结构将增长到1.000006“。非磁性的不锈钢以9ppm，铝的速率膨胀，铝的速率为13ppm，以及一些超过40ppm的速率的塑料。

乍一看，这些数字似乎非常小。但是，在某些情况下，他们可以创造相当大的效果;如我们称呼温度计的小管中的几英寸流体的运动，或者将其长度变为几英尺或更大的一些桥。实用，许多大型罐称重系统使用多个负载电池悬挂罐。如果罐是钢并经历温度变化，则会改变负载电池之间的距离，如果不允许，可能导致在负载细胞中产生不准确的差距，或者甚至可能造成物理损坏。

为了了解效果的幅度，假设坦克由4个装载单元支撑，由钢制成，在负载电池之间距离100英寸。如果罐位于外面，温度在0°F和100°F之间变化（不是每个人在南加州的人寿中），则可以预期罐将扩展和收缩0.060“（.000006 x 100”x 100°F）。这种类型的计算并非绝对正确，因为它没有考虑到负载电池安装的基础也膨胀和收缩;但是，它确实赋予了必须允许的“可能”扩展的指示。

六万千分之一英寸听起来很小，而且对于大多数大量的结构而言，它只是忽略了。然而，负载电池是相对高度应力的装置，其变形小于0.010“在完全施加的载荷。因此，对于负载电池，施加到安装凸缘的0.060“的膨胀可以在负载电池本身中产生极高的”剪切“力。因此，可能遇到差动热膨胀的多个负载单元安装必须允许这些扩展，或者肯定会发生问题。

负载电池的热膨胀也随温度的增加而发生。假设负载电池为8“高并且由钢制成。在完全施加的负载下，单元格偏转.010“。如果称重传感器经历100°F的温度变化，它将展开0.0048“（.000006 x 8”x 100°F），这几乎一半就在完全负载下偏转。为什么由于温度由于温度而导致的温度而导致的长度变化不变，而由于由负载引起的长度变化？

根据电池的内部设计，负载下的测压元件在任何地方收缩(或拉伸)，从.002″到.010″。在一个8″长钢测压元件上，温度升高100°F可能导致元件增长。005″。细胞如何区分外力引起的两种长度变化，而对温度引起的长度变化不敏感?

该问题的答案是负载电池内部有两个主要温度校正系统，负责照顾热膨胀效果：应变仪本身取消膨胀导致电阻变化和带有应变仪连接的电路的剩余消除。要查看这种情况，我们必须检查电路，以查看通常如何运作。

图1显示了用于应变仪换能器的初级电路 - 惠斯通桥。

在电桥中，假设电阻R1、R2、R3和R4是应变片。如果所有应变计的电阻完全相等，电桥就被称为“平衡”，信号引线上将不会出现输出电压。然而,如果其中一个应变仪(R1)会增加价值,这座桥已不再是平衡和电压成比例增加的阻力将会出现在信号导致(如果R1的增加,电压点的将低于B点。同样,如果R1减少值,点的电压将高于点B)。与想象力,很少如果R1和/或R3减小或R4和/或R2增加，B点的电压将比A点的电压低，这很容易扩展电路。如果你已经消化了这一段，你已经成功地掌握了惠斯顿桥背后的大部分原则。

恢复前一段，可以说惠斯通桥将开发与臂1和3中电阻的增加成比例的信号，并且臂2和4中的阻力下降。

当将负载施加到换能器时，应变仪（R1，R2，R3和R4）以使仪表1和3的方式施加到结构上，以拉伸（经历张力），因此，增加电阻，而仪表2和4被压缩，导致它们降低阻力。这些负载导致电阻变化都有助于在输出端子（A和B）处产生相同的极性信号，因此，负载电池给出与施加的负载成比例的信号。最简单的结构可视化这些张力和压缩导致电阻变化是如图2所示的简单悬臂梁。

然而，如果我们使传感器的温度升高，那么与应变计相连的所有部件的长度都会增加，从而导致所有应变计的电阻相等地增加。(在这种情况下，由臂1和臂3中阻力增加所产生的信号将被臂2和臂4中阻力增加所抵消，网桥输出将为零)。

因此，在惠斯顿电桥中，如果能使各臂随温度的变化相同，就可以消除换能器的“温度对零点的影响”。更妙的是，如果我们能以某种方式使温度引起应变片电阻的变化变小或为零，惠斯通电桥的零化效应就会更加有效。

1858年，由汤普森名称（后来被称为Kelvin）的绅士，在伦敦的皇家社会之前提出了一篇论文，旨在“关于金属电动素质”，他报告说某些电导体表现出“......菌株变化的电阻变化。“但他还表示，抵抗变化是如此小，所以需要微妙的仪器来检测它。

在同一次会议上，查尔斯·惠斯顿爵士报告了23年前s·亨特·克里斯蒂先生对能够检测非常小电阻变化的电桥网络所做的工作。该网络最终与记者联系在一起，而不是与发明者联系在一起。今天，该网络被称为“惠斯通桥”。

Lord Kelvin的发现只使用了，直到1937年，当麻省麻省理工学院的鲁比毁灭绕线电阻并使用电线构建第一个可粘结应变计时。与此同时，在Cal Tech University，一位由ED Simmonds的名字的毕业生实验室助理建议对该研究员做同样的事情，该研究人员不仅发表了他的研究，而且还将辛蒙斯归功于第一个粘合的阻力量表。由于发现的同时，向本人和辛蒙斯毁灭（“SR-4”）诞生诞生的联合专利。

事实证明，两位发明人使用的电线的选择是非常偶然的。为了产生合理尺寸的稳定卷绕电阻，电阻器制造商开发出具有非常高的电阻的特殊合金（因此合理的电线长度会产生所需的电阻值），并且具有非常小的电阻率的温度系数（这意味着电线的电阻不会随温度的变化而变化）。这些合金的冶金是相对复杂的，如果电阻器行业没有出生的发展成本，我们仍然可能没有应变仪。合金的选择是如此善于如此善于50年后在现代应变仪中使用。

尽管用于使应变仪的基本合金没有改变，但应变仪本身也是如此。主要的变化是通过使用印刷电路技术而不是简单地将线缠绕成网格配置来制造。箔的使用允许规格以极大的均匀性制造，并且还将规格放置在粘合的部分的表面上，这使其在基本上与该部件的温度基本相同。然后发现，微妙或微妙的处理变化（主要是箔的热处理），可以产生甚至更可重复的电阻率温度系数甚至更好地产生应变仪，使得规格制造商产生轻微的负系数。

为了看看应变仪上的效果是什么，让我们假设规格安装在一块加热100°F的钢上。通过这种加热，钢部分膨胀.0006“每英寸长度。由于应变计附着在该部件上，因此它将被拉伸并因此增加抗性。但是，如果规格合金已经正确热处理，随着温度上升，计量的基本电阻通过与部件伸长的伸长率增加了完全相同的量;从而产生一种应变仪系统，不会在温度下变化。

这是生产自温度补偿式应变计的基本原理，也是为什么要用安装该应变计的材料的温度膨胀系数来指定应变计的原因。

自温补偿应变仪，与惠斯通桥的温度消除效果相结合，在减少温度下，在换能器中产生“零移位”的变化非常有效。

在市售的换能器中，结果表明，即使这些零校正机构也不够好，因此有时增加额外的温度补偿元件以进一步降低温度对换能器的零输出的影响。

到目前为止，在本文中，我已经讨论了这些因素，这些因素产生并防止在温度变化时从传感器传递出来的错误信号，没有施加载荷。这些“零平衡”效果非常容易检测，因为从卸载传感器的任何指示的载荷都显然不正确。然而，如果换能器改变其灵敏度，则唯一的线索是将已知的重量或力施加到换能器上并检查其输出。对于已安装量表，此检查程序是不方便的，在许多情况下，无法执行。因此，换能器的跨度或换能器灵敏度的温度效应通常由换能器制造商测量和校正，最终用户必须相信制造商已正确执行工作，因为它不太可能校准规模才能校准两种不同的温度，除非怀疑传感器超出规格。

通过检查换能器的简单模型，可以轻松解释换能器温度敏感度的原因。换能器可以被认为是不仅仅是在负载下变形的“弹簧状”结构，以及产生与这种变形成比例的信号的传感器（例如应变仪）。bob官方app下载换能器结构的偏转取决于所施加的负载的幅度，结构的形状，以及制造结构的材料的性质。将偏转与施加负荷相关的材料特性称为“弹性模量”或“弹性模量”。如果材料的弹性模量将保持恒定，则由施加的负载引起的变形也将保持恒定。

不幸的是，大多数材料的弹性模量随温度略微发生变化，最终结果是随着温度的增加，典型的换能器变得“更柔软”。如果未经校正，这种“软化”效果将使换能器随温度的增加而更敏感。对于换能器中使用的大多数材料，这种效果的幅度为每100°F的1.5％。

产生具有温度变化的灵敏度变化的第二效果与用于测量换能器结构的变形的应变仪相关联。应变仪，取决于合金在其结构中使用哪种合金，将它们的敏感性改为+ .5％/ 100°F（Karma和Platinum / Tungsten）的敏感性。由于弹性模量降低和应变仪敏感性增加，可以预期使用恒定应变仪的换能器增加2％/ 100°F的敏感度。在换能器中，这两个组合效应通常在一起，并且简称为模量效应。

由于业力和铂合金随着结构本身的灵敏度的增加而降低大致相同的量，因此应该强调的是，该校正网络通常由传感器制造商使用，只有在换能器与常数激发时都会起作用电压供应。如果使用恒流系统，则完全无效的补偿系统，必须使用不同的补偿系统。

制造商已经生产出具有自模量温度补偿的传感器。bob官方app下载为了实现这种自我补偿，需要对应变片和结构进行仔细匹配，这意味着要进行相当密集的测试，以确保匹配一致。因此，该技术仅适用于较高产量的传感器，在这种情况下，初始评估成本可以在生产过程中分摊。bob官方app下载

bob官方app下载用康斯坦铜应变计构造的传感器(即使它们总是需要修正其灵敏度相对于温度的增加)，在成本和稳定性方面的优势，仍然使它们成为今天大多数可用传感器的理想选择。此外，如果在传感器上使用恒压励磁系统，那么在惠斯通电桥电路上加一个非常简单的电路就可以校正传感器的模量变化。bob官方app下载

换能器的输出是施加的负载和激励电压的函数。如果我们可以以某种方式以与增加其灵敏度的速率相同的速率会降低传感器的激励电压，则传感器将有效地补偿模量。bob官方app下载用于实现这一点的方法只是简单地添加了与温度的温度增加的惠斯通桥串联的电阻。

惠斯通桥，由应变仪构造的基本上不会改变温度变化，可以简单地认为是与温度敏感的另一个电阻串联。如果在该电路上施加恒定电压，则电流随着温度敏感电阻的电阻增加而降低。由于这发生，惠斯通桥两端的有效电压降低，因为其电阻保持恒定。在实践中，该温度敏感电阻被称为模量电阻，通常被分成两个电阻器，每个电阻串联，每个电阻都与每个激励引线进行到桥接电路。（见图3）