第3-2章測量電路(電阻應(yīng)變測量技術(shù))

§3-2測量電路第一次轉(zhuǎn)換：應(yīng)變片將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電阻相對變化量。第二次轉(zhuǎn)換：應(yīng)變基本測量電路則是將電阻相對變化量再轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，以便顯示、記錄和處理。電阻應(yīng)變儀－應(yīng)變測量電路：通常轉(zhuǎn)換后的信號很微弱，必須經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等變換環(huán)節(jié)才能獲得所需的信號?；菟沟请姌螂娐罚喊措娫垂╇姺绞椒?，直流電橋和交流電橋。電橋電路可有效地測量10-3~10-6數(shù)量級的微小電阻變化率，且精度很高，穩(wěn)定性好，易于進(jìn)行溫度補(bǔ)償，所以，在電阻應(yīng)變儀和應(yīng)變測量中應(yīng)用極廣?！?-2測量電路定義實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)換；并構(gòu)成電阻應(yīng)變儀。惠斯登電橋：以直流惠斯登電橋?yàn)槔?，常用交流。電橋平衡條件：單橋半橋全橋§3-2測量電路應(yīng)變片的接入方式：§3-2測量電路

一、直流電橋由四個(gè)電阻Rl，R2，R3，R4，組成四個(gè)橋臂；A，C為供橋端，接電壓為E的直流電源，B，D為輸出端，電橋的輸出電壓為當(dāng)UBD＝0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，故電橋的平衡條件為

R1R3-R2R4=0或

§3-2測量電路橋臂四個(gè)電阻Rl＝R2＝R3＝R4＝R，此稱等臂電橋。等臂電橋單臂工作時(shí)的情況：

設(shè)Rl為工作應(yīng)變片，當(dāng)試件受力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其阻值有一增量△R，此時(shí)，橋路就不平衡，產(chǎn)生輸出電壓，由于△R<<R，輸出電壓為：基本關(guān)系式表明：等臂電橋的輸出電壓與應(yīng)變在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系。§3-2測量電路

非等臂電橋四臂工作時(shí)：

設(shè)電橋四臂均為工作應(yīng)變片，其電阻為Rl，R2，R3，R4，當(dāng)應(yīng)變片未受力時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓為零。當(dāng)受力后，電橋四臂都產(chǎn)生電阻變化分別為△R1,△R2,△R3及△R4，電橋電壓輸出為忽略二階微量，△R·△R＝0§3-2測量電路

根據(jù)三種橋臂配置情況進(jìn)行分析：

①

全等臂電橋，即，Rl＝R2＝R3＝R4＝R，其電壓輸出為②輸出對稱電橋：

Rl＝R2，R3＝R4

，其電壓輸出與全等臂電橋相同。

③電源對稱電橋：

Rl＝R4，R2＝R3

，并令

則其電壓輸出為

§3-2測量電路電橋的加減特性(或和差特性)

相鄰橋臂的應(yīng)變極性一致(即同為拉應(yīng)變或同為壓應(yīng)變)時(shí)，輸出電壓為兩者之差；極性不一致(即一為拉應(yīng)變，另一為壓應(yīng)變)時(shí)，輸出電壓為兩者之和。而相對橋臂則與上述規(guī)律相反。該特性對于交流電橋也完全適用。利用該特性，可提高電橋的靈敏度，對穩(wěn)定影響予以補(bǔ)償，從復(fù)雜受力的試件上測取某外力因素引起的應(yīng)變等，所以，它是在構(gòu)件上布片和接橋時(shí)遵循的基本準(zhǔn)則之一。

相鄰橋臂：應(yīng)變極性相同，輸出電壓相減，應(yīng)變極性相反，輸出電壓相加；相對橋臂：與以上規(guī)律相反。電橋加減特性非常有用：1）提高電橋靈敏度；2）溫度補(bǔ)償；3）復(fù)雜受力試件上測試某外力因素引起的應(yīng)變等。§3-2測量電路重要結(jié)論：電橋的加減特性（對臂相加，臨臂相減）§3-2測量電路用電橋測量電阻變化的測量方法偏位法：是在表的刻度盤上刻出△R，或直接刻出應(yīng)變值(根據(jù)△R／R＝kε)，由指針偏轉(zhuǎn)直接指示應(yīng)變值，或者送到記錄器直接記錄。零位測量法：

電橋原始平衡后，如R1變成R1+△R，則電橋失去平衡，電表指針偏轉(zhuǎn)，此時(shí)，人為調(diào)節(jié)可變電阻r，改變D點(diǎn)電位，使之與B點(diǎn)電位相同，電橋重新平衡，電表又重新指零，這時(shí)，可在可變電阻器刻度盤上直接讀出△r值，便可測出R1變化△R時(shí)所對應(yīng)的應(yīng)變值

零位測量法與電源電壓無關(guān)，電源電壓變化不影響測量結(jié)果，故測量精度較高，但測量時(shí)電橋需要重新平衡，較麻煩，只用于靜態(tài)測試。導(dǎo)線溫度變化的影響？15m長，截面為0.5mm2的銅導(dǎo)線，單根的電阻r=0.6歐姆，銅線的電阻溫度系數(shù)α=4×10-3/℃，應(yīng)變片電阻R=120Ω，靈敏系數(shù)K=2。當(dāng)導(dǎo)線溫度變化△t=10℃，所造成的虛假應(yīng)變?yōu)槎嗌?？惠斯頓電橋

EＡＲ１Ｒ２ＢＣＤＲ4Ｒ3rr§3-2測量電路二、交流電橋

應(yīng)變儀多用正弦交流電壓作供橋電源。

半橋工作：AB、BC臂接應(yīng)變片R1、R2。

忽略電容C1、C2,供橋端電壓Uac=VmSinωt當(dāng)?shù)缺垭姌騿伪酃ぷ鲿r(shí)

交流電橋的輸出電壓信號是對橋壓的調(diào)幅信號，稱為調(diào)幅波。ABCD§3-2測量電路當(dāng)試件受靜態(tài)拉伸應(yīng)變ε+時(shí)，將使Rl變?yōu)镽o十△Rt，對應(yīng)的電橋輸出電壓為

電橋電壓輸出的幅度與k、ε+及Vm成正比，其頻率和相位都和載波電壓一樣。

當(dāng)試件受靜態(tài)壓縮應(yīng)變ε-時(shí)，將使Rl變?yōu)镽o-△Rt，對應(yīng)的電橋輸出電壓為相位與載波電壓相差π，其余與拉應(yīng)變的情況相仿。§3-2測量電路當(dāng)試件受如下簡諧變化的應(yīng)變時(shí)：

輸出電壓

它可視為由振幅相同、頻率分別為(ω-Ω)、(ω+Ω)兩個(gè)諧波疊加而成。但實(shí)際應(yīng)變的變化頻率多為非正弦的，其中有不可忽略的高次諧波頻率nΩ，則此時(shí)電橋的輸出頻率寬度為(ω±nΩ)。為使電橋調(diào)制后不失真，載波頻率ω應(yīng)比應(yīng)變信號頻率nΩ大十倍。當(dāng)動(dòng)、靜應(yīng)變同時(shí)存在時(shí)，則電橋的輸出相當(dāng)于靜態(tài)應(yīng)變和動(dòng)態(tài)應(yīng)變兩種情況的疊加。交流電橋起到了調(diào)幅作用。εn=εmsinΩt§3-2測量電路三、電橋的平衡

任意兩個(gè)應(yīng)變片的電阻值不等，接觸電阻和導(dǎo)線電阻也有差異，交流電橋中，應(yīng)變片引出導(dǎo)線間和應(yīng)變片與構(gòu)件間都存在著分布電容，造成電橋初始不平衡。

電阻預(yù)調(diào)平衡方法：

(1)電阻串聯(lián)平衡法(圖3—6(a))(2)電阻并聯(lián)平衡法(圖3—6(b))(3)無觸點(diǎn)平衡法(圖3—6(c))電容預(yù)調(diào)平衡方法：

(1)阻容平衡法(圖3—6(d))，(圖3—6(e))(2)差動(dòng)電容平衡法(圖3—6(f))數(shù)字式應(yīng)變儀不需電橋平衡電路。§3-2測量電路三、電橋的平衡電阻預(yù)調(diào)平衡方法：

(1)電阻串聯(lián)平衡法(圖3—6(a))：在橋臂中串聯(lián)一個(gè)小阻值的電阻r，調(diào)節(jié)此小電阻，改變相鄰兩臂的電阻值，消除電阻初始的不平衡。

(2)電阻并聯(lián)平衡法(圖3—6(b))：在橋臂中并聯(lián)一個(gè)大的電阻的電阻器W，調(diào)節(jié)該電位器，改變相鄰兩臂的電阻值，達(dá)到電橋平衡。(3)無觸點(diǎn)平衡法(圖3—6(c))：電橋的R3、R4兩臂由貼在內(nèi)部小懸臂梁上的兩片應(yīng)變片構(gòu)成，調(diào)節(jié)螺釘使梁變形，改變兩應(yīng)變片的阻值，以消除電阻的初始不平衡。§3-2測量電路三、電橋的平衡電容預(yù)調(diào)平衡方法：

(1)阻容平衡法(圖3—6(d))、(圖3—6(e))：并聯(lián)大電阻器W調(diào)節(jié)電阻平衡；調(diào)節(jié)與一固定電容C相連的電位器W2改變橋臂阻抗相角，達(dá)到電容平衡。該預(yù)調(diào)平衡法，需交替調(diào)節(jié)電阻和電容平衡，才能消除電阻和電容初始的不平衡。圖e是并聯(lián)大阻值電容器W調(diào)節(jié)阻值平衡，橋臂上并聯(lián)可變電容C調(diào)節(jié)電容平衡?？勺冸娙軨也可并聯(lián)到與之相鄰的另一個(gè)橋臂上。(2)差動(dòng)電容平衡法(圖3—6(f))：并聯(lián)大阻值電阻器