第三章 电阻应变测量技术

： ①     全等臂电桥，即，Rl＝R2＝R3＝R4＝R， 其电压输出为 ② 输出对称电桥： Rl＝R2，R3＝R4 ，其电压输出与全等臂电桥相同。 ③ 电源对称电桥： Rl＝R4，R2＝R3 ，并令 则其电压输出为 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，对温度影响予以补偿，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。 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 ／R＝kε)，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，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 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 。 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：ab、bc臂接应变片R1,R2。 忽略电容C1、C2,供桥端电压Uac=VmSinωt 当等臂电桥单臂工作时 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。 当试件受静态拉伸应变ε+时，将使Rl变为Ro十△R t，对应的电桥输出电压为 电桥电压输出的幅度与k，ε+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ε-时，将使Rl变为Ro-△R t，对应的电桥输出电压为 相位与载波电压相差π，其余与拉应变的情况相仿 。 当试件受如下简谐变化的应变时： εn =εmsinΩt 输出电压 它可视为由振幅相同、频率分别为(ω-Ω)、(ω+Ω)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nΩ，则此时电桥的输出频率宽度为(ω±nΩ)。为使电桥调制后不失真，载波频率ω应比应变信号频率nΩ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 。 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3—6(a)) (2)电阻并联平衡法(图3—6(b)) (3)无触点平衡法(图3—6(c)) 电容预调平衡方法： (1)阻容平衡法(图3—6(d)) ，(图3—6(e)) (2)差动电容平衡法(图3—6(f)) 数字式应变仪不需电桥平衡电路。 §3-3 应变应力测量 测量的具体工作是：选择测点和布置应变片和合理接桥 。 布片和接桥的一般原则如下： (1)首先考虑应力集中区和边界上的危险点，选择主应变最大、最能反映其力学规律的点贴片； (2)利用结构的对称性布点，利用应变电桥的加减特性，合理选择贴片位置、方位和组桥方式，可以达到稳定补偿、提高灵敏度、降低非线性误差和消除其它影响因素的目的； (3)当测量荷载时，应尽量避开应力—应变的非线性区贴片； (4)在应力已知的部位安排适当的测点，以便测量时进行监视和检验试验结果的可靠性。 应变片的粘贴 1.贴前准备工作 应变片检查、挑选。同批阻值相差±0.5％以内 2.测点位置清洗、划线定位 3.涂胶贴片 4.焊接引线和导线到接线端子。 5.干燥，测绝缘电阻大于500MΩ 。 6.防潮、保护处理 一、布片和接桥方法 半桥接法： 用两个电阻应变片作电桥的相邻臂，另外两臂为应变仪电桥盒中精密无感电阻所组成的电桥。 全桥接法： 电桥四个臂全由电阻应变片构成，它可以消除连接导线电阻影响和降低接触电阻的影响，灵敏度也可提高。 二、温度补偿方法 温度对应变测量的影响有两方面，应变片敏感栅材料的电阻R随温度而改变，可用电阻温度系数来衡量；另一影响因素是应变片电阻丝和受力构件材料线膨胀系数不一致产生的虚应变。温度虚应变 εt ＝αΔt/k+(βg-βy)Δt 温度补偿方法有以下两种： 一、温度自补偿应变片法 △Rt＝0 二、桥路补偿法——补偿块补偿法 、工作片补偿法。 §3—4 应变仪 应变仪是将应变电桥的输出信号转换和放大，最后用应变的标度指示出来或输出相应 的信号推动显示和记录仪器。 二次仪表 一、应变仪的分类和特点 按应变仪的工作频率相应范围分： 静态应变仪、 动态应变仪 超动态应变仪。 1．静态电阻应变仪 应变仪组成 ：测量桥、读数桥、振荡器 、放大器、 相敏检波 、平衡指示仪 、电源 双桥零读法 工作原理：构件受力，测量桥工作片电阻值产生变化，经载波调幅，测量桥输出微弱电压信号（调幅波，振幅与应变成正比），经放大器放大、检波器解调后接电表，引起电表指针偏转。 调节读数桥的桥臂电阻（读数盘旋钮）使指针回零，从读数盘刻度读出相应的应变。 注意：应变仪按单臂工作时刻度，即： 2．动态电阻应变仪 动态应变仪可与各种记录器配合测量动态应变，测量的工作频率可达0—2kHz，可测量周期或非周期的动态应变。 三、各种应力状态下的应力应变测量 1．单向应力状态下的应力应变测量 (1)半桥四片补偿块补偿法测拉压 对工作片，有 △R1=△RP+△RW+△R1t △R‘1=△RP－RW+△R’1t 对补偿片，有 △R2=△R2t △R‘2=△R‘2t 由上式可以看出，仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变，消除了偏心的影响，同时也可以看出，串联应变片虽不能提高电桥灵敏度，但可以增加桥压，提高电桥的输出. (2)全桥四片测拉压 △R1=△RP+ △ RW+△R1t △R2=-μ△RP－ μ △ RW+△R2t △R3=△RP－ △ RW+△R3t △R4=-μ△RP＋ μ△RW+△R4t 仪器读数为由拉伸(压缩)引起的真实应变数的2(1十μ) 本章重点内容 1.电阻应变效应、应变片的灵敏度、横向效应。 2.电桥的加减特性及应用； 3.温度补偿方法； 4.半桥、全桥的接方法及应变仪读数和实际应变的关系； 5.拉弯组合梁中求单一应变εp，εw的方法。 作业题 1.什么是电阻应变效应？应变片的灵敏度和电阻丝的灵敏度有什么关系？ 2.推导电桥输出电压表达式（画图）。 3.应变片串联后接入桥臂，测得的应变与串联的各应变片的应变是什么关系？ 4.如图所示的位移传感器4个应变片规格相同，设它们感受的应变绝对值ε。，按半桥和全桥接法求出应变读数。（画出接桥图） 5.如果各应变片的应变值各不相同，能否接如一个测量桥进行测量？为什么？