应变片测量电路

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1、应变片测量电路从前面的讨论知道:电阻应变片的作用是将构件表面 的应变转变为电阻的变化。其关系式为:一般若取则显然 太小了。为了便于测量,需将应变片的电阻变化 转换成电压(电流)信号,再将信号放大,然后由指示 仪(记录仪)指示出应变值,这一任务是由电阻应变仪 来完成的。电阻应变仪中电桥通常采用直流电桥和交流电桥,本 课仅讨论前者。一、直流电桥(一)电桥的输出电压设电桥中四个桥臂电阻为 (其中 任一个电阻可以是应变片)。AC两端为输入接直流电源,用 表示从ABC半个桥看,流经 的电流两端压降:两端压降:电桥输出电压:电桥输出电压:由上式知,当 时,则电桥输出电压 则称电桥处于平衡状态。设处于平衡状

2、态的电桥各桥臂由电阻增量为 则电桥的输出电压为:(精确公式)若将平衡条件 代入上式,并考虑 略去高阶微量,则电桥的输出电压为:设处于平衡状态的电桥各桥臂由电阻增量为 则电桥的输出电压为:(精确公式)(1)(近似公式)(2)1、等臂电桥四个桥臂电阻值相等,即 由(2)式输出电压为:(3)若四个桥臂为应变片,其灵敏度K均相同,代入 则电桥输出电压为 :(4)说明:()当满足 时,电桥的输出电压与各 桥臂应变片代数和成线形关系。()上式由假定 ,忽略高阶微量推导 而来(为近似公式)如果只考虑AB桥臂接应变片,即仅 有一增量,感受应变,则由(3)和(4)式,得输出电压 为:(5)(5)上式表明:输出电

3、压与应变成线形关系,这是个近似公 式。同样只在桥臂AB上接应变片,即 ,则由(1 )式(精确公式)得电桥的输出电压为:(6)将(5)(6)两式相比,(6)式中增加了一个系数 (即圆括号部分)称为非线性系数。它愈接近1,说 明电桥的非线性就愈小,也就是说按近似公式及精确 公式计算得到的输出电压值愈接近。通常取应变片的灵敏系数K=2,若应变 ,则 由 ,可得到()式中的非线性系数等于 0.999,非常接近于1。因此在一般应变范围内按接近公 式计算输出电压,所产生地方误差非常小,可以忽略不 计。 、卧式桥同样只在AB桥臂上接应变片, ,此 时,由近似公式(2)及精确公式(1)得 到的输出电压表达式与

4、等臂电桥的(5) 及(6)式完全相同,它的非线性系数也 相等。、立式桥若AB桥臂接应变片,即 有一增量 ,由近似公 式(2)得到输出电压为:()式中:按精确公式(1)得到输出电压为:(8)将(7)(8)两式相比,(8)式中的括号为非线性 系数。讨论等臂电桥与立式电桥非线性系数:当 时,立式桥非线性系数比等臂桥小, 误差比等臂桥大。立式桥非线性系数比等臂桥大, 误差比等臂桥小。(二)电桥的平衡 测量前,必须先使电桥处于平衡状态,即电桥无输出。 但由于应变片电阻值总有偏差,接触电阻,导线电阻等 存在,往往电桥不能平衡,因此需设置预调平衡电路。 在电桥中增加 电阻和 电位器 , 可分为两部分:见(b

5、)将星形连接变为三角形连接,则与 是分别并联在 和 上的,只要调节 和 就 可使电桥平衡。一般: , 为 以上, 调节范围不大, 要求四个桥臂电阻相差 。二、测量电桥的组成及温度影响的补偿在等臂电桥中,四个桥臂都接应变片,则电桥的输出电 压为:应变仪的读数应变为:(9)式中 相应为电桥上四个桥臂电阻 所感受的应变值。应变仪的读数应变为:(9)式中 相应为电桥上四个桥臂电阻 所感受的应变值。 上式反映了桥路特性:两相邻桥臂电阻所感受的应变 代数值相减,两相对桥臂电阻所感受的应变代数值相 加。合理地利用上述特性可测单一内力分量;并可消除 的影响。(一)温度补偿1、补偿块补偿 在构件上粘贴应变片 工

6、作应 变片,接AB桥臂上,补偿块上粘 贴应变片 补偿片,接BC桥臂 上,电桥的AD和CD桥臂接固定电 阻,组成等臂电桥。 因温 度改变引起的电阻变化是相等的 ,利用桥路特性可消除 的影响 。2、工作片补偿法在同一被测试件上粘贴n个工作应变片,将它们接入 桥中。当试件受力变形时,每个应变片的应变中都有 外力和温度变化引起的应变,根据桥路基本特性,可 消除 ,而得到所需要的应变。(二)测量电桥的几种组成方法合理利用桥路特性可达到以下目的: (1)实现温度补偿;(2)从复杂的变形中测出所需要的应变分量;(3)扩大应变仪读数,以减小读数误差,提高测量 灵敏度。1、半桥接线法在测量电桥的桥臂AB、BC上

7、接应变片,另外两桥臂 AD、CD上接应变仪内部固定电阻R,则称半桥接线 法。由于下半个桥接的固定电阻不感受应变,由公 式(9)可得应变仪的读数应变为:实际测量时,可分为两种情况: 1)半桥测量:电桥的两个桥臂 AB、BC接应变片。2)半臂测量:电桥的两个桥臂AB、BC上, 任一桥臂上接工作应变片,而另一桥臂接温 度补偿片。2、全桥接线法在测量电桥的四个桥臂上都接上应变片。对于等臂电 桥,此时应变仪的读数应变由公式(9)可得出:实际测量时,可分两种情况:1)全桥测量:四个桥臂上都 接工作应变片;2)相对两臂测量:电桥相对两臂接工作应变 片,另相对两臂接温度补偿片。3、串联和并联接线法测量中若采用多 个应变片时,也 可以将应变片串 联或并联起来。应变电阻阻值R,其增量是 ,在AB桥臂 ,电阻相对变化 ,这与桥臂 AB上只接单个应变片时电阻相对变化是完全相同,因 此串联、并联接线都不会增加读数应变。

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