第3-2章测量电路(电阻应变测量技术)

1、 Sichuan UniversitySichuan University1 13-2 3-2 测量电路测量电路 第一次转换：应变片将应变信号转换成电阻相对变化量。 第二次转换：应变基本测量电路则是将电阻相对变化量再转换成电压或电流信号，以便显示、记录和处理。 电阻应变仪 应变测量电路 ：通常转换后的信号很微弱，必须经调制、放大、解调、滤波等变换环节才能获得所需的信号 。 惠斯登电桥电路 ：按电源供电方式分，直流电桥和交流电桥。电桥电路可有效地测量10-310-6数量级的微小电阻变化率，且精度很高，稳定性好，易于进行温度补偿，所以，在电阻应变仪和应变测量中应用极广。 Sichuan Unive

2、rsitySichuan University2 2ERRRRRRRRUBD)(432142313-2 3-2 测量电路测量电路定义定义l实现二次转换；并构成电阻应变仪。实现二次转换；并构成电阻应变仪。l惠斯登电桥：惠斯登电桥：以直流惠斯登电桥为例，常用交流以直流惠斯登电桥为例，常用交流。3241RRRR电桥平衡条件：电桥平衡条件： Sichuan UniversitySichuan University3 33-2 3-2 测量电路测量电路应变应变片的接入方式：片的接入方式： Sichuan UniversitySichuan University4 43-2 3-2 测量电路测量电路 一、

3、直流电桥 由四个电阻Rl，R2， R3，R4，组成四个桥臂；A，C为供桥端，接电压为E的直流电源，B，D为输出端，电桥的输出电压为 ERRRRRRRRUBD.)(43214231当UBD0时，电桥处于平衡状态，故电桥的平衡条件为 R1R3-R2R4=0或 3241RRRR Sichuan UniversitySichuan University5 53-2 3-2 测量电路测量电路桥臂四个电阻RlR2R3R4R，此称等臂电桥等臂电桥。等臂电桥单臂工作时的情况 ： 设Rl为工作应变片，当试件受力作用产生应变时，其阻值有一增量R，此时，桥路就不平衡，产生输出电压，由于RR ，输出电压为：EkERR

4、UBD41.4基本关系式表明：等臂电桥的输出电压与应变在一定范围内成线性关系。 Sichuan UniversitySichuan University6 63-2 3-2 测量电路测量电路 非等臂电桥四臂工作时： 设电桥四臂均为工作应变片，其电阻为Rl，R2，R3，R4，当应变片未受力时，电桥处于平衡状态，电桥输出电压为零。当受力后，电桥四臂都产生电阻变化分别为R1, R2, R3及R4，电桥电压输出为ERRRRRRRRRRRRUBD)(432124134231忽略二阶微量，R R 0 Sichuan UniversitySichuan University7 73-2 3-2 测量电路测量

5、电路 根据三种桥臂配置情况进行分析： 全等臂电桥，全等臂电桥，即，RlR2R3R4R， 其电压输出为)(4)(4432144332211kERRRRRRRREUBD 输出对称电桥：输出对称电桥： RlR2，R3R4 ，其电压输出与全等臂电桥相同。 电源对称电桥：电源对称电桥： RlR4，R2R3 ，并令 4312RRRR则其电压输出为 )()1 ()()1 (43212443322112kERRRRRRRREUBD Sichuan UniversitySichuan University8 83-2 3-2 测量电路测量电路电桥的加减特性(或和差特性) 相邻桥臂的应变极性一致(即同为拉应变或同

6、为压应变)时，输出电压为两者之差；极性不一致(即一为拉应变，另一为压应变)时，输出电压为两者之和。而相对桥臂则与上述规律相反。 该特性对于交流电桥也完全适用。 利用该特性，可提高电桥的灵敏度，对稳定影响予以补偿，从复杂受力的试件上测取某外力因素引起的应变等，所以，它是在构件上布片和接桥时遵循的基本准则之一。 Sichuan UniversitySichuan University9 9l 相邻桥臂：应变极性相同，输出电压相减，应变相邻桥臂：应变极性相同，输出电压相减，应变极性极性相反，相反，输出电压相加；输出电压相加；l相对桥臂：与以上规律相反相对桥臂：与以上规律相反。电桥加减特性非常有用：电

7、桥加减特性非常有用：1 1）提高电桥灵敏度；）提高电桥灵敏度；2 2）温度补偿；）温度补偿；3 3）复杂受力试件上测试某外力因素引起的应变等。）复杂受力试件上测试某外力因素引起的应变等。3-2 3-2 测量电路测量电路重要结论：重要结论：电桥的加减特性（对臂相加，临臂相减）电桥的加减特性（对臂相加，临臂相减） Sichuan UniversitySichuan University10103-2 3-2 测量电路测量电路用电桥测量电阻变化的测量方法偏位法：是在表的刻度盘上刻出R，或直接刻出应变值(根据R Rk)，由指针偏转直接指示应变值，或者送到记录器直接记录。 零位测量法： 电桥原始平衡后，

8、如R1变成R1+R，则电桥失去平衡，电表指针偏转，此时，人为调节可变电阻r，改变D点电位，使之与B点电位相同，电桥重新平衡，电表又重新指零，这时，可在可变电阻器刻度盘上直接读出r值，便可测出R1变化R时所对应的应变值 kRr2 零位测量法与电源电压无关，电源电压变化不影响测量结果，故测量精度较高，但测量时电桥需要重新平衡，较麻烦，只用于静态测试 。 Sichuan UniversitySichuan University1111导线温度变化的影响？导线温度变化的影响？ 15m长，截面为长，截面为0. 5mm2的铜导线，单根的电阻的铜导线，单根的电阻r=0.6欧姆，铜线的电阻温度系数欧姆，铜线的

9、电阻温度系数=410-3 / ，应，应变片电阻变片电阻R=120，灵敏系数，灵敏系数K=2。当导线温度变化。当导线温度变化 t=10，所造成的虚假应变为多少？，所造成的虚假应变为多少？2002/1206 . 010104/3KRrtKRRrt惠斯顿电桥 E43rrrtrr Sichuan UniversitySichuan University12123-2 3-2 测量电路测量电路二、交流电桥二、交流电桥 应变仪多用正弦交流电压作供桥电源。 半桥工作：A AB、BC臂接应变片R1、R2。 忽略电容C1、C2,供桥端电压Uac=VmSint当等臂电桥单臂工作时 tVRRRRRRRRUmBDsi

10、n)(43214231tVRRUmBDsin41 交流电桥的输出电压信号是对桥压的调幅信号，称为调幅波。A AB BC CD D Sichuan UniversitySichuan University13133-2 3-2 测量电路测量电路当试件受静态拉伸应变+时，将使Rl变为Ro十R t，对应的电桥输出电压为 tVktVRRUmmtBDsin41sin410电桥电压输出的幅度与k、+及Vm成正比，其频率和相位都和载波电压一样。 当试件受静态压缩应变-时，将使Rl变为Ro-R t，对应的电桥输出电压为)sin(41sin410tVktVRRUmmtBD相位与载波电压相差，其余与拉应变的情况相

11、仿 。 Sichuan UniversitySichuan University14143-2 3-2 测量电路测量电路当试件受如下简谐变化的应变时： 输出电压tVktVktVRRUmmmmmmBD)cos(81)cos(81sin410 它可视为由振幅相同、频率分别为(-)、(+)两个谐波叠加而成。但实际应变的变化频率多为非正弦的，其中有不可忽略的高次谐波频率n，则此时电桥的输出频率宽度为(n)。为使电桥调制后不失真，载波频率应比应变信号频率n大十倍。当动、静应变同时存在时，则电桥的输出相当于静态应变和动态应变两种情况的叠加。交流电桥起到了调幅作用 。n =msint Sichuan Uni

12、versitySichuan University15153-2 3-2 测量电路测量电路三、电桥的平衡三、电桥的平衡 任意两个应变片的电阻值不等 ，接触电阻和导线电阻也有差异 ，交流电桥中，应变片引出导线间和应变片与构件间都存在着分布电容，造成电桥初始不平衡。 电阻预调平衡方法： (1)电阻串联平衡法(图36(a) (2)电阻并联平衡法(图36(b) (3)无触点平衡法(图36(c)电容预调平衡方法： (1)阻容平衡法(图36(d) ，(图36(e) (2)差动电容平衡法(图36(f)数字式应变仪不需电桥平衡电路。 Sichuan UniversitySichuan University16

13、163-2 3-2 测量电路测量电路三、电桥的平衡三、电桥的平衡电阻预调平衡方法：电阻预调平衡方法： (1)电阻串联平衡法电阻串联平衡法(图图36(a)：在桥臂中串联一个小阻值的电阻在桥臂中串联一个小阻值的电阻r，调，调节此小电阻，改变相邻两臂的电阻值，消除电阻初始的不平衡。节此小电阻，改变相邻两臂的电阻值，消除电阻初始的不平衡。 (2)电阻并联平衡法电阻并联平衡法(图图36(b)：在桥臂中并联一个大的电阻的电阻器在桥臂中并联一个大的电阻的电阻器W，调节该电位器，改变相邻两臂的电阻值，达到电桥平衡。，调节该电位器，改变相邻两臂的电阻值，达到电桥平衡。 (3)无触点平衡法无触点平衡法(图图36(

14、c)：电桥的电桥的R3、R4两臂由贴在内部小悬臂梁两臂由贴在内部小悬臂梁上的两片应变片构成，调节螺钉使梁变形，改变两应变片的阻值，以消上的两片应变片构成，调节螺钉使梁变形，改变两应变片的阻值，以消除电阻的初始不平衡。除电阻的初始不平衡。 Sichuan UniversitySichuan University17173-2 3-2 测量电路测量电路三、电桥的平衡三、电桥的平衡电容预调平衡方法：电容预调平衡方法： (1)阻容平衡法阻容平衡法(图图36(d) 、(图图36(e)：并联大电阻器并联大电阻器W调节电阻平衡；调节与一固定电容调节电阻平衡；调节与一固定电容C相连的电位器相连的电位器W2改变

15、桥臂阻抗相角，达到电容平衡。该预调平衡法，需交替调节电阻和电容改变桥臂阻抗相角，达到电容平衡。该预调平衡法，需交替调节电阻和电容平衡，才能消除电阻和电容初始的不平衡。图平衡，才能消除电阻和电容初始的不平衡。图e是并联大阻值电容器是并联大阻值电容器W调节阻值平衡，桥臂上调节阻值平衡，桥臂上并联可变电容并联可变电容C调节电容平衡。可变电容调节电容平衡。可变电容C也可并联到与之相邻的另一个桥臂上。也可并联到与之相邻的另一个桥臂上。 (2)差动电容平衡法差动电容平衡法(图图36(f)：并联大阻值电阻器并联大阻值电阻器W调节电阻平衡；在电桥的调节电阻平衡；在电桥的R3、R4两臂上两臂上并联有同轴差的电容器并联有同轴差的电容器C(分为分为C1、C2)，调节电容时，一个增大，另一个将会等