電阻應(yīng)變儀等測試儀器使用及電路原理

1、&實驗七 電阻應(yīng)變儀等測試儀器使用及電路原理一、YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 電阻應(yīng)變儀型號繁多，常用的有靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，如YJ-16，YJ-25,7V14C型，靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀YJD-1型，動態(tài)應(yīng)變儀YD-15型，以及數(shù)字式應(yīng)變儀，遙測應(yīng)變儀等，現(xiàn)以YJ-25為例作一介紹。YJ-25靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采用了大規(guī)模集成電路，數(shù)碼顯示和長導(dǎo)線補償技術(shù)。具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高，抗干擾能力強，體積小，重量輕，使用和維修方便等特點。1 結(jié)構(gòu)原理（1） 該儀器主要特點是將放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)碼顯示，讀數(shù)方便準確，其原理框圖見 圖7-1。被測信號220v信號發(fā)生器電橋盒放 大 器檢波

2、解調(diào)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)碼顯示穩(wěn)壓電源圖7-1 應(yīng)變儀原理框圖（2） 儀器結(jié)構(gòu)，前面板如圖7-2。包括：電源開關(guān)、粗細調(diào)節(jié)、基零測量按鈕及靈敏系數(shù)、電阻平衡、基零平衡調(diào)節(jié)旋鈕和讀數(shù)顯示屏。后面板如圖7-3所示。包括：標定、電橋盒、轉(zhuǎn)換器；靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕及電源輸入插口、預(yù)調(diào)箱插口、保險絲等。靈敏系數(shù)電阻平衡基零平衡測量基零粗 細開關(guān)標定電橋盒平衡電源220平衡箱圖7-2 前面板示意圖 圖7-3 后面板示意圖2 操作步驟（1） 接線：聯(lián)接電源，應(yīng)變儀及電橋盒的各接線。將與工作片和補償片相聯(lián)的導(dǎo)線接入電橋盒。根據(jù)測量的需要，電橋盒的接線有半橋及全橋聯(lián)接兩種。 半橋聯(lián)接：電橋盒（圖7-4）上的1，2，3，4

3、分別相當(dāng)于電橋的A、B、C、D四個接線柱。R3，R4為電橋盒內(nèi)的兩個120無感線繞電阻作為內(nèi)半橋。將接線柱1和5，3和7，4和8分別短接，在1、2之間接工作片R1，2、3之間接補償片R2，即為半橋單點測量接線。見圖7-4（a）。 全橋聯(lián)接：將電橋盒1和5，3和7，4和8之間的短接片全部取下。分別在（1、2），（2、3），（3、4），（4、1）之間接應(yīng)變片。即為全橋聯(lián)接見圖7-4（b）。R4R1 R2 1 2 3 4 5 6 7 8R4R3 1 2 3 4 5 6 7 8R1 R2 R3 （a）（b） 圖7-4 電橋盒示意圖 多點測量時應(yīng)變片的導(dǎo)線接入P20R-25型預(yù)調(diào)平衡箱，并將預(yù)調(diào)平衡與應(yīng)

4、變儀聯(lián)在一起，后面板上的開關(guān)撥到預(yù)調(diào)箱檔上。（2） 標定：調(diào)整靈敏系數(shù)，使指示值K對在2.00上，在儀器標定后，再對至與應(yīng)變片靈敏系數(shù)相同的數(shù)值上。（3） 通電：檢查接線無誤后，按下電源開關(guān)。（4） 調(diào)節(jié)：按下“基零”開關(guān)，調(diào)節(jié)“基零”電位器，使顯示屏顯示為±0000。再按下“測量”開關(guān)，調(diào)節(jié)“電阻平衡”電位器，使熒屏顯示為±0000，這時將“粗”，“細”開關(guān)置于“細”，若調(diào)零無法調(diào)到±0000時，則按下“粗”。將后面板開關(guān)撥至“標定”檔，調(diào)節(jié)“靈敏度”電位器，使標定值顯示為-10000然后撥至“電橋盒”檔。反復(fù)幾次調(diào)平衡（零點）和標定值讀數(shù)（10000）。為了提

5、高測試精度，若條件允許，每隔一段時間在無載荷情況下核對一下平衡和標定值讀數(shù)。（5） 測量：再次按上“測量”開關(guān)，儀器即可按預(yù)定加載方案進行測量。（6） 還原：測試完畢，關(guān)閉電源，拆下各接線，整理好現(xiàn)場，試驗結(jié)束。3注意事項（1） 儀器使用前應(yīng)預(yù)熱半小時，可連續(xù)工作4小時。周圍應(yīng)無腐蝕性氣體及強磁場干擾。（2） 導(dǎo)線、連線，插頭均應(yīng)旋緊。測量工作片與補償片值應(yīng)盡量一致，連接導(dǎo)線應(yīng)采用長度，規(guī)格相同的屏蔽電纜，測量時導(dǎo)線不得移動。（3） 嚴格遵守操作規(guī)程。試驗中發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)立即關(guān)掉電源。二、多點測量預(yù)調(diào)平衡箱 預(yù)調(diào)平衡箱是與靜態(tài)應(yīng)變儀配套使用進行多點測量的儀器。常用的平衡箱可同時測量20個點的應(yīng)變

6、值，可進行半橋（單片補償和多點公共補償），全橋應(yīng)變測量及對其它轉(zhuǎn)換成電壓信號物理量的測量。1結(jié)構(gòu)與工作原理 預(yù)調(diào)平衡箱1-20點中任一點半橋連接如圖7-5所示。任一點全橋連接如圖7-6所示。R1、R2、R3、R4全部為工作片。R3R4EUDBAB CDR1 R2rWR3R4EUDBAB CDR1 R2rW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 1516 17 18 19 20P20R25型預(yù)調(diào)平衡箱上海華東電子儀器廠 圖7-5 半橋連接 圖7-6 全橋連接圖7-7 平衡箱前面板示意圖圖7-7中為切換開關(guān)。轉(zhuǎn)換該開關(guān)可進行多點測量，當(dāng)該開關(guān)置于“0”時，預(yù)調(diào)箱處于轉(zhuǎn)換狀

7、態(tài)。為電阻平衡電位器。它是用于調(diào)節(jié)測量點橋路的電阻平衡，將該電位器順時針方向旋轉(zhuǎn)應(yīng)變值增大，反之，減小。ABCD 1 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 20圖7-8 平衡箱后面板示意圖1 使用方法（1） 將YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的“選擇開關(guān)”置“轉(zhuǎn)換”檔。靈敏系數(shù)盤調(diào)到和使用的應(yīng)變片靈敏系數(shù)相同的數(shù)值上。（2） 平衡箱聯(lián)接線分別插入“預(yù)調(diào)箱”座和“應(yīng)變儀”座。（3） 按下YJ-25應(yīng)變儀的電源開關(guān)接通電源。并將“測量基零”開關(guān)置“測量”檔。（4） 將“切換開關(guān)”置于“1-20”檔，調(diào)節(jié)相應(yīng)

8、電阻平衡電位器，使YJ-25電阻應(yīng)變儀顯示為“±0000”。（5） 接線半橋時將平衡箱后面板轉(zhuǎn)換開關(guān)打到半橋，在平衡箱上把工作片接在AB接線柱上，把補償片接在BC接線柱上。若想用一個片補償所有工作片，可用短接銅片把對應(yīng)的C行所有接線柱短接起來。在BC上接一只補償片。全橋測量時，將平衡箱后面板轉(zhuǎn)換開關(guān)置全橋位置，并依次將應(yīng)變片引線接在平衡箱的ABCD接線柱上。（6） 加載，旋轉(zhuǎn)“切換開關(guān)”記錄相應(yīng)的測量值。 注意：如在測量時發(fā)現(xiàn)有跳字現(xiàn)象，可將橋路B節(jié)點和接地柱用導(dǎo)線將它們連接起 來，并要求電源插座的接地線接地。三、電測法的基本原理電測方法不僅用于驗證材料力學(xué)的理論、測量材料的機械性能

9、，而且作為一種重要的實驗手段來解決實際工程中的問題及從事研究工作。電測法就是將物理量、力學(xué)量，機械量等非電量通過電感元件轉(zhuǎn)換成電量來進行測量的一種實驗方法，其原理框圖如下圖所示。 敏 感 元 件 測 量 設(shè) 備 被測構(gòu)件電 量測量結(jié)果 光、電、機械傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理 物 力 機 生 電 電 數(shù) 理 學(xué) 械 物 壓 流 字 量 量 量 參 量 數(shù) 圖7-9 電測技術(shù)原理框圖電測法之所以得到廣泛應(yīng)用，是因為它具有如下諸方面的優(yōu)點：（1） 靈敏度高，測量范圍廣。如應(yīng)變測量范圍為±1±10微應(yīng)變，力或重力的測量范圍為10-2105N等。（2） 能進行靜、動態(tài)測量，頻響范圍為0&

10、#177;50KHZ。（3） 輕便靈活，可用于現(xiàn)場及野外等惡劣環(huán)境下進行測試。（4） 能在高溫、低溫及高壓液下等特殊條件下的測量。（5） 便于與計算機聯(lián)結(jié)進行數(shù)據(jù)采集處理?？蓮V泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理的自動化及其控制。一、 電阻應(yīng)變片的構(gòu)造及工作原理金屬絲的電阻值隨機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變一電效應(yīng)。電阻式敏感元件稱作電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片分絲式電阻片和箔式電阻片兩大類。絲繞式應(yīng)變片是用直徑為0.0030.01mm的合金絲繞成柵狀而制；箔式應(yīng)變片則是用0.0030.01mm厚的箔材經(jīng)化學(xué)腐蝕成柵狀。主體敏感柵是一個電阻，在感受被測物體的應(yīng)變時，其電阻也同時發(fā)生變化。實驗表明被測物體測量部位的應(yīng)變

11、片與電阻變化率R/R成正比關(guān)系。即 （7-1）式中Ks稱為金屬絲的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)上式也可由物理學(xué)基本公式導(dǎo)出：電阻值R與電阻絲長度L及截面積A之間的關(guān)系為： （7-2）為金屬絲的電阻率，上式等號兩邊取對數(shù)再微分得： （7-3）根據(jù)金屬物理和材料力學(xué)理論得知A/A，/也與L/L成線性關(guān)系，由此得到： = （7-4） 式中：金屬絲材料的泊桑系數(shù)。 m常數(shù)與材料的種類有關(guān)。（7-4）式說明粘貼在構(gòu)件上的電阻片，其電阻變化率R/R與其感受的應(yīng)變值L/L成正比，比例系數(shù)為Ks。由于電阻片的敏感柵并不是一根直絲，所以比例系數(shù)一般在標準應(yīng)變梁上由抽樣標定測得，標定梁為純彎梁或等強度鋼梁。對電阻片來說，式（

12、7-4）可寫成。二、電阻片的溫度效應(yīng)溫度變化時，金屬絲的電阻值也隨著產(chǎn)生變化，稱之為（R/R）T。該電阻變化是由兩部分引起的，一是電阻絲的電阻溫度系數(shù)引起的另一部分是由于金屬絲與構(gòu)件的材料膨脹系數(shù)不同而引起的：因而溫度引起的電阻變化為 （7-5）式中金屬絲（箔）材料的電阻溫度系數(shù)；金屬絲（箔）材料的熱膨脹系數(shù)；構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)。要想準確地測量構(gòu)件的應(yīng)變，就要克服溫度對電阻變化的影響，一種方法是使電阻片的系數(shù)等于零，這種電阻片稱為溫度自補償電阻片；另一種方法是利用測量電路電橋的特性來克服的，這將在下面仔細闡述。四、 測量電路-電橋的工作原理測量電路的作用是將電阻片感受的電阻變化率R/R變換成

13、電壓變化輸出，再經(jīng)放大電路放大。測量電路有許多種，最常用的是橋式電路，它有四個橋臂R1，R2，R3，R4按順序接在A、B、C、D之間 圖7-11。電橋的對角點AC接電源E。另一對角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓uDB。可以證明輸出電壓。 （7-6）若電橋的四個橋臂與四枚粘貼在構(gòu)件上的電阻片連接。當(dāng)構(gòu)件變形時，其電阻值的變化分別為：，此時，電橋的輸出電壓即為： （7-7）由式（7-7）和（7-4）可以解出電橋電壓的變化量UDB。當(dāng)R/R 1，UDB可以簡化為 （7-8）式中a=R2/R1，b=R3/R4,當(dāng)R1=R2=R3=R4時，（7-8）式又可進一步簡化成 （7-9）上式表明，電橋輸出電壓的

14、變化量UDB與兩個橋臂的電阻變化率成線性關(guān)系，需要注意的是該式成立的必要條件是：a、 小應(yīng)變 1 b、等橋臂，即R1=R2=R3=R4當(dāng)四枚電阻片的靈敏系數(shù)K相等時，（7-9）式可以寫成 （7-10） 式中：1，2，3，4分別代表電阻片R1，R2，R3，R4感受的應(yīng)變值。上式表明，電壓變化量UDB與四個橋臂電阻片對應(yīng)的應(yīng)變值1，2，3，4成線性關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意，式中的是代數(shù)值，其符號由變形方向決定。通常拉應(yīng)變?yōu)檎瑝簯?yīng)變?yōu)樨?，可以看出，相鄰兩臂的（例如?，2或3，4）符號一致時，根據(jù)式（7-9）應(yīng)變相互抵消。如符號相反，則兩應(yīng)變絕對值相加。兩相對橋臂的（例如1和3）符號一致時，其絕對值相加，否

15、則二者相互抵消。顯然，不同符號的應(yīng)變按照不同的順序組橋，會產(chǎn)生不同的測量效果。因此，靈活地運用（7-10）式正確地布片和組橋，可提高測量的靈敏度并減少誤差。這種作用稱為電橋的加減特性。下面討論幾種常用的組橋方式。1 組橋方式（1） 單臂測量，電橋中只有一個橋臂（常用AB臂）是參與機械變形的電阻片，其它三個橋臂的電阻片都不參與機械變形。這時，電橋的輸出電壓為： （7-11）（2） 半橋測量。電橋中相鄰兩個橋臂（常用AB、BC橋臂）參與機械變形的電阻片，其它兩個橋臂是不參與機械變形的固定電阻。這時電橋的輸出電壓為 （7-12）（3） 對臂測量。電橋中相對的兩個橋臂（常用AB、CD橋臂）是參機械變形

16、的電阻片，其它兩個橋臂是固定電阻，這時電橋的輸出電壓為EBR2R1 DC （7-13）A（4） 全橋測量。電橋中四個橋臂都是參與機UDB械變形的電阻片。這時電橋輸出電壓與公式（7-9）R4R3及（7-10）相同。另外，還有串聯(lián)組橋方式，即兩枚參與機械變形電阻片串聯(lián)在同一橋臂中，其測量結(jié)果為兩枚電阻片電阻變化率的平均值。 圖7-10橋式測量電路2. 溫度補償片前已述及電阻片的電阻隨溫度的變化而變化的，利用電橋的加減特性，可通過溫度補償片來消除這一影響。所謂溫度補償是將電阻片貼在與構(gòu)件材質(zhì)相同但不參與變形的一塊材料上，并與構(gòu)件處于相同的溫度條件下。將補償片正確地連接在橋路中即可消除溫度變化所產(chǎn)生的

17、影響。下面分別討論各種組橋方式溫度補償片的連接方法。通常參與機械變形的電阻片稱為工作片在電橋中用符號 來表示；溫度補償片用符號 來表示；另外儀器中還接有不隨溫度變化的內(nèi)接標準電阻。（1）單臂測量 圖7-11。其中BC臂接溫度補償片，CD，DA臂接儀器內(nèi)的標準電 阻?？紤]溫度引起的電阻變化 （7-14）由于R1和R2溫度條件完全相同，因此，所以電橋的輸出電壓只與工作引起的電阻變化有關(guān)，與溫度變化無關(guān)。即 （7-15）（2）半橋測量 圖7-12。其中AB、BC臂接工作片，CD、DA仍接儀器內(nèi)的標準電阻。兩枚工作片處在相同的溫度條件下， （7-16）ER3R4UDBABCDR3R4EUDBAB CDC橋路的加減特性自動消除了溫度的影響，無需另接溫度補償片。 圖7-11 溫度補償電路 圖7-12 半橋測量R3R4EUDBABCDR3R4EUDBABCD（3）對臂測量 圖7-