第3-2章測量電路(電阻應變測量技術)

1、 Sichuan UniversitySichuan University1 13-2 3-2 測量電路測量電路 第一次轉換：應變片將應變信號轉換成電阻相對變化量。 第二次轉換：應變基本測量電路則是將電阻相對變化量再轉換成電壓或電流信號，以便顯示、記錄和處理。 電阻應變儀 應變測量電路 ：通常轉換后的信號很微弱，必須經調制、放大、解調、濾波等變換環(huán)節(jié)才能獲得所需的信號 。 惠斯登電橋電路 ：按電源供電方式分，直流電橋和交流電橋。電橋電路可有效地測量10-310-6數量級的微小電阻變化率，且精度很高，穩(wěn)定性好，易于進行溫度補償，所以，在電阻應變儀和應變測量中應用極廣。 Sichuan Unive

2、rsitySichuan University2 2ERRRRRRRRUBD)(432142313-2 3-2 測量電路測量電路定義定義l實現(xiàn)二次轉換；并構成電阻應變儀。實現(xiàn)二次轉換；并構成電阻應變儀。l惠斯登電橋：惠斯登電橋：以直流惠斯登電橋為例，常用交流以直流惠斯登電橋為例，常用交流。3241RRRR電橋平衡條件：電橋平衡條件： Sichuan UniversitySichuan University3 33-2 3-2 測量電路測量電路應變應變片的接入方式：片的接入方式： Sichuan UniversitySichuan University4 43-2 3-2 測量電路測量電路 一、

3、直流電橋 由四個電阻Rl，R2， R3，R4，組成四個橋臂；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 ERRRRRRRRUBD.)(43214231當UBD0時，電橋處于平衡狀態(tài)，故電橋的平衡條件為 R1R3-R2R4=0或 3241RRRR Sichuan UniversitySichuan University5 53-2 3-2 測量電路測量電路橋臂四個電阻RlR2R3R4R，此稱等臂電橋等臂電橋。等臂電橋單臂工作時的情況 ： 設Rl為工作應變片，當試件受力作用產生應變時，其阻值有一增量R，此時，橋路就不平衡，產生輸出電壓，由于RR ，輸出電壓為：EkERR

4、UBD41.4基本關系式表明：等臂電橋的輸出電壓與應變在一定范圍內成線性關系。 Sichuan UniversitySichuan University6 63-2 3-2 測量電路測量電路 非等臂電橋四臂工作時： 設電橋四臂均為工作應變片，其電阻為Rl，R2，R3，R4，當應變片未受力時，電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出電壓為零。當受力后，電橋四臂都產生電阻變化分別為R1, R2, R3及R4，電橋電壓輸出為ERRRRRRRRRRRRUBD)(432124134231忽略二階微量，R R 0 Sichuan UniversitySichuan University7 73-2 3-2 測量電路測量

5、電路 根據三種橋臂配置情況進行分析： 全等臂電橋，全等臂電橋，即，RlR2R3R4R， 其電壓輸出為)(4)(4432144332211kERRRRRRRREUBD 輸出對稱電橋：輸出對稱電橋： RlR2，R3R4 ，其電壓輸出與全等臂電橋相同。 電源對稱電橋：電源對稱電橋： RlR4，R2R3 ，并令 4312RRRR則其電壓輸出為 )()1 ()()1 (43212443322112kERRRRRRRREUBD Sichuan UniversitySichuan University8 83-2 3-2 測量電路測量電路電橋的加減特性(或和差特性) 相鄰橋臂的應變極性一致(即同為拉應變或同

6、為壓應變)時，輸出電壓為兩者之差；極性不一致(即一為拉應變，另一為壓應變)時，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)定影響予以補償，從復雜受力的試件上測取某外力因素引起的應變等，所以，它是在構件上布片和接橋時遵循的基本準則之一。 Sichuan UniversitySichuan University9 9l 相鄰橋臂：應變極性相同，輸出電壓相減，應變相鄰橋臂：應變極性相同，輸出電壓相減，應變極性極性相反，相反，輸出電壓相加；輸出電壓相加；l相對橋臂：與以上規(guī)律相反相對橋臂：與以上規(guī)律相反。電橋加減特性非常有用：電

7、橋加減特性非常有用：1 1）提高電橋靈敏度；）提高電橋靈敏度；2 2）溫度補償；）溫度補償；3 3）復雜受力試件上測試某外力因素引起的應變等。）復雜受力試件上測試某外力因素引起的應變等。3-2 3-2 測量電路測量電路重要結論：重要結論：電橋的加減特性（對臂相加，臨臂相減）電橋的加減特性（對臂相加，臨臂相減） Sichuan UniversitySichuan University10103-2 3-2 測量電路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，或直接刻出應變值(根據R Rk)，由指針偏轉直接指示應變值，或者送到記錄器直接記錄。 零位測量法： 電橋原始平衡后，

8、如R1變成R1+R，則電橋失去平衡，電表指針偏轉，此時，人為調節(jié)可變電阻r，改變D點電位，使之與B點電位相同，電橋重新平衡，電表又重新指零，這時，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時所對應的應變值 kRr2 零位測量法與電源電壓無關，電源電壓變化不影響測量結果，故測量精度較高，但測量時電橋需要重新平衡，較麻煩，只用于靜態(tài)測試 。 Sichuan UniversitySichuan University1111導線溫度變化的影響？導線溫度變化的影響？ 15m長，截面為長，截面為0. 5mm2的銅導線，單根的電阻的銅導線，單根的電阻r=0.6歐姆，銅線的電阻溫度系數歐姆，銅線的

9、電阻溫度系數=410-3 / ，應，應變片電阻變片電阻R=120，靈敏系數，靈敏系數K=2。當導線溫度變化。當導線溫度變化 t=10，所造成的虛假應變?yōu)槎嗌?？，所造成的虛假應變?yōu)槎嗌伲?002/1206 . 010104/3KRrtKRRrt惠斯頓電橋 E43rrrtrr Sichuan UniversitySichuan University12123-2 3-2 測量電路測量電路二、交流電橋二、交流電橋 應變儀多用正弦交流電壓作供橋電源。 半橋工作：A AB、BC臂接應變片R1、R2。 忽略電容C1、C2,供橋端電壓Uac=VmSint當等臂電橋單臂工作時 tVRRRRRRRRUmBDsi

10、n)(43214231tVRRUmBDsin41 交流電橋的輸出電壓信號是對橋壓的調幅信號，稱為調幅波。A AB BC CD D Sichuan UniversitySichuan University13133-2 3-2 測量電路測量電路當試件受靜態(tài)拉伸應變+時，將使Rl變?yōu)镽o十R t，對應的電橋輸出電壓為 tVktVRRUmmtBDsin41sin410電橋電壓輸出的幅度與k、+及Vm成正比，其頻率和相位都和載波電壓一樣。 當試件受靜態(tài)壓縮應變-時，將使Rl變?yōu)镽o-R t，對應的電橋輸出電壓為)sin(41sin410tVktVRRUmmtBD相位與載波電壓相差，其余與拉應變的情況相

11、仿 。 Sichuan UniversitySichuan University14143-2 3-2 測量電路測量電路當試件受如下簡諧變化的應變時： 輸出電壓tVktVktVRRUmmmmmmBD)cos(81)cos(81sin410 它可視為由振幅相同、頻率分別為(-)、(+)兩個諧波疊加而成。但實際應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n，則此時電橋的輸出頻率寬度為(n)。為使電橋調制后不失真，載波頻率應比應變信號頻率n大十倍。當動、靜應變同時存在時，則電橋的輸出相當于靜態(tài)應變和動態(tài)應變兩種情況的疊加。交流電橋起到了調幅作用 。n =msint Sichuan Uni

12、versitySichuan University15153-2 3-2 測量電路測量電路三、電橋的平衡三、電橋的平衡 任意兩個應變片的電阻值不等 ，接觸電阻和導線電阻也有差異 ，交流電橋中，應變片引出導線間和應變片與構件間都存在著分布電容，造成電橋初始不平衡。 電阻預調平衡方法： (1)電阻串聯(lián)平衡法(圖36(a) (2)電阻并聯(lián)平衡法(圖36(b) (3)無觸點平衡法(圖36(c)電容預調平衡方法： (1)阻容平衡法(圖36(d) ，(圖36(e) (2)差動電容平衡法(圖36(f)數字式應變儀不需電橋平衡電路。 Sichuan UniversitySichuan University16

13、163-2 3-2 測量電路測量電路三、電橋的平衡三、電橋的平衡電阻預調平衡方法：電阻預調平衡方法： (1)電阻串聯(lián)平衡法電阻串聯(lián)平衡法(圖圖36(a)：在橋臂中串聯(lián)一個小阻值的電阻在橋臂中串聯(lián)一個小阻值的電阻r，調，調節(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。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)平衡法電阻并聯(lián)平衡法(圖圖36(b)：在橋臂中并聯(lián)一個大的電阻的電阻器在橋臂中并聯(lián)一個大的電阻的電阻器W，調節(jié)該電位器，改變相鄰兩臂的電阻值，達到電橋平衡。，調節(jié)該電位器，改變相鄰兩臂的電阻值，達到電橋平衡。 (3)無觸點平衡法無觸點平衡法(圖圖36(

14、c)：電橋的電橋的R3、R4兩臂由貼在內部小懸臂梁兩臂由貼在內部小懸臂梁上的兩片應變片構成，調節(jié)螺釘使梁變形，改變兩應變片的阻值，以消上的兩片應變片構成，調節(jié)螺釘使梁變形，改變兩應變片的阻值，以消除電阻的初始不平衡。除電阻的初始不平衡。 Sichuan UniversitySichuan University17173-2 3-2 測量電路測量電路三、電橋的平衡三、電橋的平衡電容預調平衡方法：電容預調平衡方法： (1)阻容平衡法阻容平衡法(圖圖36(d) 、(圖圖36(e)：并聯(lián)大電阻器并聯(lián)大電阻器W調節(jié)電阻平衡；調節(jié)與一固定電容調節(jié)電阻平衡；調節(jié)與一固定電容C相連的電位器相連的電位器W2改變

15、橋臂阻抗相角，達到電容平衡。該預調平衡法，需交替調節(jié)電阻和電容改變橋臂阻抗相角，達到電容平衡。該預調平衡法，需交替調節(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)大阻值電容器是并聯(lián)大阻值電容器W調節(jié)阻值平衡，橋臂上調節(jié)阻值平衡，橋臂上并聯(lián)可變電容并聯(lián)可變電容C調節(jié)電容平衡?？勺冸娙菡{節(jié)電容平衡?？勺冸娙軨也可并聯(lián)到與之相鄰的另一個橋臂上。也可并聯(lián)到與之相鄰的另一個橋臂上。 (2)差動電容平衡法差動電容平衡法(圖圖36(f)：并聯(lián)大阻值電阻器并聯(lián)大阻值電阻器W調節(jié)電阻平衡；在電橋的調節(jié)電阻平衡；在電橋的R3、R4兩臂上兩臂上并聯(lián)有同軸差的電容器并聯(lián)有同軸差的電容器C(分為分為C1、C2)，調節(jié)電容時，一個增大，另一個將會等