電阻應變片的工作原理和信號調理電路

電阻應變片的工作原理和信號調理電路電阻應變片是電阻應變式傳感器的核心元件換元件。將應變片粘貼在被測構件外表上，接入測量電路，隨著構件的受力變形力、扭矩、壓強、位移、溫度和加速度等，只要能設法變?yōu)閼兊南鄳兓伎梢岳脩兤M展測量，所以在測試中得到格外廣泛的應用。應變片的構造電阻應變片品種繁多，形式多樣，但根本構造大體一樣，都是由敏感柵、基底、蓋層、感柵的柵絲直徑一般為0.015-0.05mm，敏感柵的縱向軸線稱為應變片軸線，依據不同用途，柵長可為0.2-200mm上的應變快速準確地傳遞到敏感柵上，因此基底做得很薄，一般為0.02-0.4mm，用于測量應的作用。基底和蓋層用特地的薄紙制成，稱為紙基；用各種粘合劑和有機樹脂膜制成，稱為膠基。的敏感柵〔如圖2所示；橫向效應?。簧嵝院?，允許通過的電流較大，可提高相匹配的電橋電壓，從而提高輸出靈敏度；疲乏壽命長，蠕變??；生產效率高。但制造箔式應變片的電阻值的分散性要比絲式的大。應變片的應變特性樣里面的金屬箔材就隨著應變伸長或縮短變化。由物理學可知，電阻絲的電阻R與其電阻率、長度l及截面積S存在如下關系：lRS

〔1〕當電阻絲受到受到拉力作用時長度伸長lS，此時電阻值產生變化R。彈性形變后，電阻絲的電阻相對變化為RlS

〔2〕R l S lS為截面積的相對變化。對于圓柱形電阻絲，截l SS r r面積為Sr2〔r 為絲的半徑則

S 2r

r 為電阻絲的橫向應變，且rl

為電阻絲材料的泊松系數。于是〔2〕式可以寫為r l2)

〔3〕R 由此可知，電阻絲電阻的相對變化是由兩局部引起的：(12)是由電阻絲幾何尺寸是電阻絲受到應力作用而引起的電阻率的變化，這稱為壓阻效應。對于金屬材料，應變效應是主要的，電阻率的變化可以不考慮；對于R與存在如下關系：RRK 〔4〕R式中K為比例常數，又稱為電阻絲的靈敏度系數。不同的金屬材料有不同的比例常數K。銅鉻合金的K2。這樣，應變的測量就通過應變片轉換為對電阻變化的測量。溫度對應變片的影響應變片由于溫度的變化所引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化在數量級上幾溫度變化引起敏感柵電阻變化而產生附加應變，二是線膨脹系數不同使應變片產生附加應變。應變片電阻與溫度溫度變化量t的關系為RRt

(1t) 〔5〕tR為溫度為tRt0

為溫度為t0

時的電阻值。敏感柵的電阻溫度系數。將溫度變化時的電阻變化折合應變ta，則RR t 0RR

t 〔6〕ta KR K0應變片與試件因線膨脹系數不同引起的附加變形l 為tl l( )t 〔7〕t 0 片 試附加變形l 折算為應變，得tlt lt(片試)t 〔8〕t0因溫度變化引起的總電阻變化為RRtR

(

)t 〔9〕t 總的虛假應變?yōu)?/p>

0 片 試R/R t 0

t

(

)t 〔10〕4．測量電路〔1〕直流電橋將電阻應變片粘貼于待測構件上，應變片電阻將隨構件應變而轉變，一般是將應變片電阻接入電橋電路中，使其轉換為電流或電壓輸出，即可測出力值。3所示為始終流電橋，依據電路理論計算可知U 4．測量電路〔1〕直流電橋將電阻應變片粘貼于待測構件上，應變片電阻將隨構件應變而轉變，一般是將應變片電阻接入電橋電路中，使其轉換為電流或電壓輸出，即可測出力值。3所示為始終流電橋，依據電路理論計算可知U 0RR RR(RR)(R R)1 32 4US〔11〕1 2 3 4假設使此電橋平衡，即U00，只要RRRR

0即可實現。1 3 2 4RR

皆產生電阻變化RR

〕式變?yōu)? 2 3 4 1 2 3 4(RR)(R

)(R

)(R

R)1334224U 1 U1334224S0 (RRRR)(RRRR)S1 1 2 2 3 3 4 4由于RR，在分母中的R可無視，在分子中的R的高次項也可無視，又考慮到電橋的初始是平衡的，則電橋的輸出電壓為RU 10

R3

RR13(RR131

R2)(R23

RR44R)444

R2US

〔12〕對于等臂電橋，即RR1 2

RR3

R。則上式可以寫成1 R R R RU 1 3 2 4U

〔13〕0 4 R R R R SRK，則〔13〕式可寫成RU 0 4 1 3

U4

〔14〕對于如圖4〔a〕所示的半橋單臂電路，只有一只電阻產生R的變化，得U 1RU0 4 R S

1KU4

〔15〕對于如圖4〔b〕所示的半橋雙臂電路設R產生正R的變化，R 產生負R的變化，1 2且變化確實定值相等，即, , 0, 0，得1 2 3 4U 1RU0 2 R S

1KU2

〔16〕即為半橋單臂電路的2倍當R，R 產生的R確實定值相等符號一樣時，U為0。1 2 04〔c〕R1

，R產生正R的變化，R，R3 2

產生負R的變化，且RR1

RRR3 2

產生負應變，得U RU0 R S

KUS

〔17〕4倍。假設RR1 4

產生負RR2

R產生正R的變化，3且R確實定值相等，則U0。0溝通電橋Z1，Z2，Z3，Z4表示，Zg表示。依據直流電橋的推導方法，同樣可導出溝通電橋的輸出公式。5所示。溝通電橋平衡的條件為Z1Z3Z2Z4 〔18〕橋臂阻抗假設以指數形式表示〔1〕式則可寫成zz1 3

j(e1 e

)z2

zej(24

4) 〔19〕由復數相等的條件，故有zz1 3

zz2 4

〔20〕1 3

2 46〔由于電感很小可無視則電容的影響是很小的。對于半橋單臂電橋電路，輸出電壓與電阻變化關系為U 1RU0 4 R m

sint

1KU4 m

sint 〔21〕式中，Um

為電源電壓峰值，為電源角頻率。當試件受動態(tài)應力產生簡諧變化應變時，設簡諧應變?yōu)?N m

sint 〔22〕N

為簡諧應變的角頻率。m對于半橋單臂電橋電路，其輸出電壓為一調幅波，即u1K0 4 m

sintUm

sint

〔23〕1K8 m

U cos()t1Km 8

U cos()tm當動、靜態(tài)應變同時消滅時，電橋的輸出相當于靜態(tài)應變和動態(tài)應變的疊加，即u 1KU0 4 m

sint

〔24〕1K8 m

U cos()t1Km 8

U cos()tm和的兩個波疊加。n，為使電橋調制后不失真，載波〔電源〕頻率應比應變信號頻率n10倍左右。相敏檢波電路為了從電橋輸出電壓信號中得到試件受動態(tài)應力產生簡諧變化的應變信息，即 sint，只要把調幅波再次與原載波信號相乘進展同步解調，并通過低通濾波器濾除高m頻成份即可。圖7為一種較為常用的環(huán)形橋式相敏檢波電路，其工作原理如下：B B 變壓器 ，B B 1 2 1UU>U

i，i為正，i，2 2 1i為負，則輸入電表中的電流為3

1 4 2i (im 1

i)(i4

i) 〔25〕3①當Ul

=0時，由于U2

的作用，D3

i3

和i4

以不同方向流過電表，由于變壓器抽頭居中，各二極管特性全都，故im

ii3

0；U2U

負半周時，D1

導通，i iim 1

0U

2=0U1

im

0，假設電表中消滅im

0，則主要是變壓器中心抽頭不對稱或二極管參數不全都造成的。1 1 2 l 2 3 4②當U≠0，且U，U同相位時，在正半周，由于U <U，所以D和D仍導通，1 1 2 l 2 3 4D兩端電壓疊加為U+U，D

兩端電壓相減為U

-U，所以i

越大電流也越大；4 1 2

2 1 3 4 l2 1 2 l 1 2 2 1 U1<U和DD兩端電壓為U+U兩端電壓為U-U2 1 2 l 1 2 2 1 所以i1

i。在一周期內平均輸出電流為正值，即i2 m

0。2 1 2 2 l 2 3 4③當U≠0，且U，U相位相反時，在U正半周，由于U<U，所以仍舊是D，D導通，但由于Ul與U2相位相反，D3兩端電壓