传感器测量基础教程系列 应变计测量 关键词 • 应变计基础 • 基于电桥的测量基础 • 测量误差 减少 • 光纤应变测量 应变应用 结构疲劳监测 水轮机测试 油管监测 力 力 应变计基底 （ 绝缘 ） 试样 箔导体 引 线 应变计 箔应变计使用方法 • 应变计为可变的 电阻式 传感器 • 电阻随着应变 的变化 而变化 • 电阻的变化量取决于传感器 灵敏度 分压器 • 通过 线性电路分压 VEX + - R1 R2 VIN 惠斯 通 电桥 • 用于测量电阻 式 设备 • 如果 R1/R2 = R3/R4， VIN = 0 • 如果电阻 （ 应变 ） 发生变化 ， 则 VIN ≠ 0 • 需要电压激励 + VIN - VEX + - R1 R2 R4 R3 1/4桥应变计 • 一个应变计 • R1、 R2和 R3为固定电阻 • R3称为四分之一桥接电阻 + VIN - 试样 R3 R1 R2 敏感栅 1/4桥 (类型 I) + VIN - R1 R2 R4 R3 1/4桥（类型 II） + VIN - R1 R2 R4 R3 半桥应变计 • 两个应变计 • R1和 R2为固定电阻 + VIN - 试样 R1 R2 敏感栅 半桥类型 I + VIN - R1 R2 R4 R3 半桥（类型 II） + VIN - R1 R2 R4 R3 全桥应变计 • 四个应变计 • 惠斯通电桥中的所有电阻均是应变计 • 一般 情况下， 两个传感器 安装 在顶部 ，两个传感器在底部 + VIN - 试样 VEX + VEX - 全桥（类型 I） + VIN - R1 R2 R4 R3 全桥（类型 II） + VIN - R1 R2 R4 R3 全桥（类型 III） + VIN - R1 R2 R4 R3 电桥 配置 测量类型 1/4桥 半桥 全桥 类型 I 类型 II 类型 I 类型 II 类型 I 类型 II 类型 III 轴向应变 有 有 有 无 无 无 有 弯曲应变 有 有 有 有 有 有 无 补偿 温度 无 有 有 有 有 有 有 横向灵敏度 无 无 有 无 无 有 有 灵敏度 ß 1000 ue时的灵敏度 ~0.5 mV/V ~0.5 mV/V ~0.65 mV/V ~1.0 mV/V ~2.0 mV/V ~1.3 mV/V ~1.3 mV/V 安装 粘贴式应变计的数量 1 1* 2 2 4 4 4 安装位置 单边 单边 单边 对边 对边 对边 对边 电线数量 2或 3 3 3 3 4 4 4 桥接电阻 3 2 2 2 0 0 0 * 该结构中 在热触点旁边 安装有 另一个应变计， 但并非粘贴式 。
应变花 • 用于飞机应变应用的特定排列方式 45° 45° 安装应变计 • 表面处理 • 应变计粘贴 • 引线 连接 • 保护镀层 误差源 • 高频噪声 • 滤波 、 激励 电平 • 传感器自热 • 应变计类型、 激励 电平 、 结构 • 引 线和桥臂电阻 • 远程 传感 、 分流校准 • 错误校准 • 零点偏置 、 分流校准 • 激励源稳定性 • 补偿、比例技术结构 滤波 低通 滤波 时域 频域 时域 频域 低通 滤波 激励电平 • 信噪比 (SNR) • 激励电平越高， SNR越大 • 影响应变计自热 • 激励电平 较 高 会产生 自热 现象 o 产生热电偶效应 o 改变 胶粘剂 传递应变 的能力 o 改变应变计电阻率和敏感度 – 取决于电桥配置 远程传感 NI 归零校准 • 消除 偏置 • 确保应变计没有形变时测 得 的电压值 大约为 0V • 补偿电桥 的固有 失衡 • 可在硬件或软件中执行 分流校准 + VIN - + _ VEX 归零和分流校准 未校准 ε σ 归零校准 偏置误差 分流和归零校准 增益误差 硬件操作演示 软件操作演示 激励稳定性 • 计算应变 的 所有等式 均含有电压比 (Vstrained – Vunstrained) / Vexcitation • 激励不稳定会造成读数误差 优点 精确度高，对激励温度漂移的敏感度低 调节 设计要求降低 ，可增加通道数量 光纤光栅 (FBG) Λ B = 光栅周期 光纤芯 λ 输入信号 λB λ 传输信号 反射信号 λB B = 2neΛB 光纤光栅 温度和应变 b 2 n 应变 变化 Λ 模拟测量： 应变计 电阻式（箔）应变计 光学 FBG应变计 应变： e = DL L = GF · e DR R GF ≈ 2 力 力 应变： e = DL L = K · e D λ λ K ≈ 0.8 力 力 λ 1 光学传感解调器 (NI PXIe-4844) λ 2 λ 3 λ 4 λ 5 λ 6 λ n-1 λ n … λ1 P λ … 反射信号 λ2 λ3 λ4 λ5 λ6 λn-1 λn • 在 一根 光纤上 复用 多种不同 波长 的多个 FBG传感器 波分复用 Λ 1 Λ 2 Λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 FBG光学传感的优势 • 绝缘 ， 无源 • 耐高压， EMI • 防爆 • 抗环境变化 • 耐腐蚀和苛性介质 • 复用 传感器 • 每 根 光纤包含数十个传感器 ，可减少布线 • 可长距离 传输 信号 (km) • 体积小，重量轻 • 减小 重量 /阻尼效应 采集测量数据 SC Express • 高通道数 • 高性能 NI CompactDAQ • 便携式测量 • USB、以太网、 WiFi NI CompactRIO • 坚固 • 无干预操作 测量地震对桥梁的影响 挑战 构建可测量 地震时汽车悬架与桥梁之间相互作用的 最佳测试系统 解决方案 测量应变、力和位移，以记录汽车和桥梁的行为特性 。