电阻应变片测量电桥电路ppt课件.ppt

实验力学,Expermental Mechanics,内蒙古工业大学力学系,4.2 电阻应变片的测量电路,电阻应变片中的电桥线路如图所示。它以应变片或电阻元件作为桥臂，在电桥中A、B、C、D四个特殊点不能弄混，顶点A、C称为电桥的输入端（电源端），顶点B、D称为电桥的输出端（测量端）。,一、直流电桥输出电压的表达式 设输入电压E 恒定，B、D间开路（应变电桥的输出总是接到电子 放大器的输入端，而放大器的输入阻抗一般很大,以致可近似认为 电桥输出端是开路的）。实际上流过测量端的电流很小，电桥的 输出端主要是电位差起作用，这样，问题就变为求B、D两点间的 电位差。在电桥设计中，这种电桥称为电压桥。,环路定理： 环路的电压降等于零。电桥线路的两个环路： 环路ABCE 环路ADCE,设：环路ABCE的电流为 环路ADCE的电流为,环路ABCE：,环路ADCE：,电阻 两端的电压降为：,电阻 两端的电压降为：,就等于A、B两点的电位差：,就等于A、D两点的电位差：,将两式相减，可得D、B两点间的电位差即电桥输出电压为：,讨论：1、电桥平衡 当电桥平衡时， ，即 - 电桥平衡的条件2、加载前预调平衡 当应变片没有变形时，应变电桥应保持平衡，即输出电压为零。 但是，应变片的阻值不可能绝对相同，更何况接触电阻及导线电 阻之差异也不可避免，所以输出电压一般不为零，那么如何使电 桥平衡呢？- 即在应变仪内设一个预调平衡电路，如图所示。,在桥路上并联电阻 、 , 接在电桥的A、C结点间，滑动点串一个大电阻 后接于电桥的结点B。调节 即可改变桥臂AB和BC电阻的比例，使电桥平衡的条件得到满足，即 - 称为预调平衡。 这一装置的平衡范围取决于固定电阻 的值。因为在极端情况下， 的滑动点滑到一头，将使 完全并联在某一桥臂上，使其阻值变化最大。设桥臂电阻均为120，若要求预调平衡的范围为应变片阻值的1%，即桥臂阻值应能变化1.2，则应有 将 代入，将解得 。,3、加载后求电压输出,代入输出电压公式,各桥臂阻值变化分别为：,并略去高阶微量可得：,同理，将分式的分母展开，同样代入 ，可得：,其中：,应变电桥有两种方案,全桥电路半桥电路,输出电压与桥臂电阻变化率之间的关系,4、简化 希望这个关系是线性的，要想找到线性关系，分母必须是一个常数。,令：,线性部分,非线性部分,若略去 ，则将引入非线性误差，此相对误差为：,误差分析：（1）电阻值的增量可正可负。考虑到测点应变的正负，根据电桥的性 质，在构件上布置应变片时，一般力图使应变电桥相邻桥臂的电 阻变化异号，相对桥臂的电阻变化同号。这样上式中各项相互抵 消，使e最小。（2）考虑一种最坏的情况，即只有一臂接入应变片，而其他三臂接入 固定电阻，其阻值不变。此时的非线性误差为：,若应变片灵敏系数近似等于2，则 。这表明，略去非线性部分所引入的相对误差与被测应变值大小相当。比如应变达到5000时， 。可见，在一般应变范围内分析应变电桥的输出电压时，只取线性部分是足够精确的。,应变仪的读数,应变仪读数与应变片应变的关系为：对臂相加，邻臂相减,4.2.2 温度的影响与补偿,当温度改变时，会造成应变片丝栅电阻值的改变，一般当温度增高10C 时，测量仪器的读数将上升50（微应变），这个应变是虚假应变必须消除掉，有两种消除方法。,温度的补偿方法,一、自补偿法,二、桥路补偿法,电阻温度系数 T温度的增量,2、由于应变片丝栅材料与构件材料的线膨胀系数不同时， 丝栅受到构件附近材料的拉、压而造成电阻的变化为：,分别表示构件和应变片丝栅材料的线膨胀系数。,一、自补偿法 1、由于温度的改变，会造成应变片丝栅电阻的改变 导线电阻随温度的变化率可近似看作与温度变化成正比， 即,4、自补偿法的目的：,均为材料常数,所以自补偿法一定要对应不同的材料专用。自补偿法能把大部分的温度效应消除掉，这只是一个大致的补偿法，严格的补偿法还要用桥路补偿。,3、总电阻的变化为：,安装在构件上的应变片，其应变为 。 安装在另一个不受力且和构件同材料物体上的应变片， 其应变为 目的：当温度变化时， 的温度同时改变，因为邻臂相减， 可把温度的影响消除掉。,二、桥路补偿法：,4.2.3 常用的接桥法,1、全桥： 4个应变片。,2、半桥： 2个应变片，2个标准电阻， 接应变片， 接标准电阻,3、单臂桥： 2个应变片,4、不等臂桥：不等臂桥路也满足平衡条件，对臂的乘积相等。,例1：悬臂梁自由端受集中力 测：x截面上，上、下表面沿轴线方向的线应变。,方案一：上、下表面各贴两个应变片 电桥接法-全桥。,4.2.4 测量电桥应用举例,轴向应变,全桥接法优点：使电桥输出电压增加了四倍，即应变仪读数放大了四倍， 提高了测量的精确度。缺点：用应变片多。,轴向应变,方案二：上、下表面各贴一个应变片。 电桥接法 - 半桥。,方案三：上或下表面贴一个应变片。 电桥接法 - 单臂桥, 轴向应变,例2：求偏心拉伸，在拉力作用下的轴向应变。,方案一：在杆的上、下表面各贴一个应变片。 电桥接法 - 不等臂桥。,初始电阻相同。,此方案既排除了载荷偏心的影响，又使温度效应得到补偿。,方案二：在杆的前、后表面各贴两个应变片，两个横向片， 两个纵向片。电桥接法 - 不等臂桥。,试件加载前： 初始电阻相同,试件加载后：,此方案既排除了载荷偏心的影响，又使应变仪的读数增加了（1+）倍，比方案一的测量精度高。,方案三：在杆的前、后表面各贴两个应变片，两个横向片， 两个纵向片。 电桥接法 - 全桥。,此方案既排除了载荷偏心的影响，又使应变仪的读数增加了2（1+）倍，比方案二的测量精度高2倍。,例3：圆轴扭转的应力和内力测量。,由材料力学可知：,圆轴扭转时，表面一点的应力状态为纯剪应力状态,1,3,1,3,T,T,方案（一）：沿 方向各贴一片 - 用半桥电桥。,方案（二）沿 方向各贴两片 - 用全桥。,1,3,T,T,2,4,4-3 电阻应变仪,1、静态应变仪： 测量不随时间变化或变化极缓的应变，即测量信号是静态应变。 型号：YJ-5静态应变仪2、静动态应变仪： 它既有测量静态应变的读数装置，又可向记录仪输出动态应变信 号，测量频率小于200 HZ。它以测量静态应变为主。 型号：YJD-5静动态应变仪3、动态应变仪： 测量随时间变化的应变，由于必须把应变的动态过程记录下来再 作分析，所以动态应变仪是与记录仪配套使用的。 型号：YD-5动态应变仪,一、电阻应变仪的分类,电阻应变测量,电阻应变片,电阻应变仪,电桥电路,4、遥测应变仪： 运动构件的应变测量可应用无线点遥测方法，把应变信号经调制后 用电磁波发射出去，经接收机接收解调后进行记录。因此避免了在 使用时由于导线连接带来的接触电阻，摩擦升温等影响。无线电遥 测具有噪声信号小、耐振动和冲击、安装和使用方便等优点。,二、电阻应变仪的技术指标,电阻应变仪种类多种多样，选用时的主要依据是它的技术指标。 电阻应变仪的主要技术指标一、测量线数 指仪器有几条通道，即可以同时测几个点的应变。通道数越多适 用性越强，但也使仪器的体积和重量过大。二、测量范围 指可测应变量的范围，一般以微应变（）为单位。设计应变 仪时，这个范围的给定，考虑了工程中常能遇到的最大应变量。 动态应变仪在放大器前加有衰减网络，使动态工作被控制在一定 的范围，从而使可测应变量的范围得以扩展。三、应变标定值 指衡量应变大小的比例尺。四、工作频率范围 指应变的频率应不超过某值。,五、线性输出范围 当应变仪输出端接有额定负载时，输出电流和被测应变（频率在 工作频率范围以内）之间的关系称为振幅特性。当应变在一定范 围内时，此关系为线性的。最大应变对应于最大线性电流输出。六、灵敏系数 指该仪器按配用某灵敏系数值的应变片设计。 静态应变仪都设有调节灵敏系数的装置，以与不同灵敏系数的应 变片配合，读出的应变数不必另行修正。 对于动态应变仪，因为并非直接读数，为了方便，应变仪本身都 设有标定装置，而这一装置是按某一K值设计的。因此，使用其他 K值的应变片，就必须对应变读数进行修正。, 真实应变。 按仪器标定装置提供的应变标高在示波图上测取的应变。 所用应变片的灵敏系数。 仪器设计值。,七、应变片阻值 指应变仪应使用指定阻值的应变片（如120）。八、零飘和动飘 零飘是衡量仪器静态稳定性好坏的一个指标。 开启仪器，观察其稳定性，仪器平衡指示器可能随时间有缓慢 的偏转，即仪器有少量输出的现象称为零飘。 动飘是衡量仪器动态稳定性好坏的一个指标。 动态是指放大器有信号输入的状态。给仪器输入一个恒定的标 准应变，对仪器的输出稳定性进行时间考验，仪器相对于标准 应变输出的微小变化称为动飘。,