13第二章-2电阻应变仪

1山东大学模具工程技术研究中心§2-2电阻应变仪一.电阻应变仪一般介绍由于电阻应变片的相对变化很小，因此必须设计专门的仪器对上述应变转化成的电阻相对变化进行测量，最后用应变的标度指示出来。该类仪器就是应变仪，它由测量电路和放大器构成。类别测量应变信号测量频率范围静态电阻应变仪静态应变0~15Hz静动态电阻应变仪单点动态应变测量200Hz动态电阻应变仪周期或非周期动态应变多通道5KHz超动态电阻应变仪动态应变：爆炸、高速冲击几十KHz遥测应变仪无线电传输信号原理测量旋转体、运动件2山东大学模具工程技术研究中心电桥分类：●按桥压分：直流电桥；交流电桥●按输出方式分：功率电桥（按低阻抗负载）电压电桥（按高阻抗负载）电阻应变片的信号调理电路:由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路——电桥测量电路。二.测量电桥测量电桥的任务：把电阻的变化量转化成电压或电流的的变化量，以便于后续仪表的计量与测量。3山东大学模具工程技术研究中心1、直流电桥的基本关系常用的几个术语:全桥：半桥：相对桥臂相邻桥臂邻臂对臂全桥半桥4山东大学模具工程技术研究中心043214231))((URRRRRRRRUH4231RRRR44332211221210)(RRRRRRRRRRRRUUH直流电桥平衡条件：即：相对桥臂电阻之积相等。当平衡电桥桥臂电阻发生变化时，其输出电压为：（1）电桥的电压输出：5山东大学模具工程技术研究中心（2）电桥输出公式的使用前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；3）仅发生微小变化.RRia)等臂全桥RRRRR4321RRURRRRRUUH44043210（3）两种特殊电桥的输出：6山东大学模具工程技术研究中心b)等臂半桥baRRRRRR4321,21021044RRURRRRUUaaHaRRRRRRRRbaba,,3241对称半桥：R3、R4为固定电阻非对称半桥：R1、R4为固定电阻412041201)1()(RRRaaURRRRRRRRUUaaababaH非对称半桥的输出还与桥臂阻值比有关。7山东大学模具工程技术研究中心（4）总结与讨论：（1）电桥平衡条件（2）电桥的输出电压与相对计算电阻增量成正比其中R为一个桥臂的阻值。（3）因与应变成正比，因此电桥的输出电压与应变成正比。（4）对于等臂全桥，由于，电桥输出公式又可写成:RR00RKRR04231H41UKU上式为电桥加减特性表达式。电桥输出的八字原则：相邻相减，相对相加。8山东大学模具工程技术研究中心2.交流电桥的基本关系：电阻平衡、存在不平衡电容4231ZZZZ或4321ZZZZ相对桥臂阻抗之积相等9山东大学模具工程技术研究中心交、直流电桥的异同点相同点：输出电压的幅值都与被测的应变成正比；不同点：直流电桥交流电桥输出的是正或负的直流电压，与应变同频率变化。输出的是正弦调幅波；从输出电压的正或负，可以判断是拉应变还是压应变。可通过输出与参考桥压的相位相同或是相反来判断拉、压应变的关系；只要电阻调平衡。既有电阻调平衡，又有电容调平衡。10山东大学模具工程技术研究中心3.电桥的读数方法：（1）直接读数法：将电桥的输出直接或经放大器放大后，用电表读出或用示被器记录。电表的读数或示被器的记录曲线正比于被测量的量值或变化过程一般动态测试仪器即动态应变都是采用这种读数方法。1）机械标定法：在等强度梁上贴好与测点相同规格的应变片，测量系统的状态维持测试时的状态不变，给梁加载，使它产生一个标准应变，此时应变仪上输出一个大小一定的电信号与该标准应变相对应，以此电信号为基准，来度量对应于被测动应变的电信号所代表的应变值。缺点：现场使用不方便。优点：不需要修正。注意：必须进行标定。11山东大学模具工程技术研究中心3.电桥的读数方法：1）机械标定法：2）电标定法：在动态应变仪上专设标定电路，由标定电路给出代表一定应变的电信号，与对应于被测应变的电信号进行比较。优点：方便可靠。桥臂并联标定电阻标定和测试的示波图标定应变：12山东大学模具工程技术研究中心标定电桥法：电压标定法：标定精度较高。13山东大学模具工程技术研究中心（2）零读数法：利用一些调节元件(可调电阻)使电桥恢复平衡，然后记下调节元件的调节量，从而计算被测量的大小。这时，指示电表只起平衡指示作用。一般静态测试仪器如静态应变仪常采用这种读数方法。将测量电桥和读数电桥反向串联起来，调整读数桥的桥臂电阻值，使两桥串联后的输出电压等于零。14山东大学模具工程技术研究中心KK应变片的灵敏系数应变仪的灵敏系数读数应变双电桥零读数法的原理图15山东大学模具工程技术研究中心(三）静态电阻应变仪静态电阻应变仪由电桥、振荡器、交流放大器、相敏检波器、指示电表等组成16山东大学模具工程技术研究中心（四）动态电阻应变仪多采用交流供桥、载波放大的形式。由电桥、标定电路、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器等组成。17山东大学模具工程技术研究中心被测应变信号调幅后输出电压一般检波器检波相敏检波器检波18山东大学模具工程技术研究中心（五）应变仪的使用：(1)应变仪的选用原则应变仪的工作频率应大于被测量的最高次谐波分量的频率，以保证不产生幅频失真和相频失真。应变仪的最大量程应大于被测应变的最大值，并应使其输出不超过最大线性输出量，以保证不产生非线性失真。应变仪的输出形式应与记录仪相适应，并注意它们之间的阻抗匹配。对于静态测量，应根据测试精度要求和测试量来选择仪器的分辨率（最小应变读数）和测量点数（配预调平衡箱）。19山东大学模具工程技术研究中心应变仪的使用：（2）应变仪的操作要点：按实测需要确定接桥形式，测点与仪器间的连线应采用金属屏蔽线，导线要固定，接地点要正确。根据被测信号的大小，正确选择衰减器的档位，使其输出既有一定的幅度，又不产生非线性失真。连接记录器，并注意其阻抗匹配。对于电标定，其标定应变应根据被测信号的最大值来选用，一般标定应变＝2/3被测最大值仪器的预调平衡应在“预调平衡”的档位上进行。20山东大学模具工程技术研究中心21山东大学模具工程技术研究中心22山东大学模具工程技术研究中心23山东大学模具工程技术研究中心24山东大学模具工程技术研究中心25山东大学模具工程技术研究中心26山东大学模具工程技术研究中心温度效应(1)温度变化引起的电阻变化(2)被测试件与应变片膨胀系数不同引起的附加应变tRR栅1tKRR栅构-2tKtRRt栅构栅-例如：一镍铬丝片，标距贴在单向应力的钢件上，当62lb1t50t2/100cmkgt34.2K℃§3温度补偿的办法27山东大学模具工程技术研究中心(1)温度补偿方法：桥路补偿（常温下）和应变片自补偿（高温下）桥路补偿：1）工作片和补偿片KURRKRRURRRURRUUttH4)(14)(14402102100KKRRRKTT1)(11ˆ21半桥接法(温度补偿）：11tRKRR22tRR工作片与补偿片应该相同；补偿板与零件的材料应相同；两者的温度条件必须相同；补偿片与工作片在电桥的相邻桥臂上。28山东大学模具工程技术研究中心tRKRR1tRKRR2)1(11)(11ˆ21KRRKRRRKTT)1(414)(1400210KUKRRURRRUUH半桥接法(温度补偿）：29山东大学模具工程技术研究中心（2）在试件上找到与测点的应变符号相反、比例关系已知、温度条件相同的另外一个点，则不必另外制作专用于粘贴补偿片的补偿块，而在这两点上分别粘一片特性相同的应变片，也可实现温度补偿。KUKRRURRRUUH2)2(14)(14002102)2(11)(11ˆ21KRRKRRRKTTtRKRR1tRKRR2半桥接法：30山东大学模具工程技术研究中心KUKRRURRRRRUUH0043210)4(14)(144)4(11)(11ˆ4321KRRKRRRRRKTTtRKRRR31tRKRRR42全桥接法：31山东大学模具工程技术研究中心应变片自补偿：缺点：一种特定的应变片只适用于一种特定的材料及一定的温度范围。温度补偿是否正确：（1）温度能否补偿。（2）是否能从读数应变求得ˆ