电阻应变片的的原理和信号调理电路.docVIP

电阻应变片的工作原理和信号调理电路 电阻应变片应变片电阻应变片品种繁多，形式多样，由敏感栅等构成常见的有丝式和箔式电阻应变片。应变片敏感栅敏感栅应变片敏感栅敏感栅用于测量应变，将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅应变片应变片敏感栅应变片将箔式电阻应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。与其电阻率、长度及截面积存在如下关系： （1） 当电阻丝受到受到拉力作用时长度伸长，横截面积收缩，电阻率也将变化为，此时电阻值产生变化。弹性形变后，电阻丝的电阻相对变化为 （2） 式中为电阻丝的纵向应变；为截面积的相对变化。对于圆柱形电阻丝，截面积为（r为丝的半径），则。为电阻丝的横向应变，且，为电阻丝材料的泊松系数。于是（2）式可以写为 （3） 由此可知，电阻丝电阻的相对变化是由两部分引起的：是由电阻丝几何尺寸的变化引起的电阻变化，这称为应变效应；是电阻丝受到应力作用而引起的电阻率的变化，这称为压阻效应。对于金属材料，应变效应是主要的，电阻率的变化可以不考虑；对于半导体材料，压阻效应是主要的。实验表明，当电阻丝在轴向受力时，应变片的电阻相对变化率与存在如下关系： （4） 式中K比例常数不同的金属材料有不同的比例常数K。铜铬合金的K值约为2。这样，应变的测量就通过应变片转换为对电阻变化的测量。的关系为 （5） 式中，为温度为时的电阻值，为温度为时的电阻值。敏感栅的电阻温度系数。将温度变化时的电阻变化折合应变，则 （6） 应变片与试件因线膨胀系数不同引起的附加变形为 （7） 附加变形折算为应变，得 （8） 因温度变化引起的总电阻变化为 （9） 总的虚假应变为 （10） 4．测量电路 （1）直流电桥 将电阻应变片粘贴于待测构件上，应变片电阻将随构件应变而改变，一般是将应变片电阻接入电桥电路中，使其转换为电流或电压输出，即可测出力值。 图3所示为一直流电桥，根据电路理论计算可知 （11） 若使此电桥平衡，即，只要即可实现。 当电桥的四臂皆产生电阻变化时，（5）式变为 由于远远小于，在分母中的可忽略，在分子中的的高次项也可忽略，又考虑到电桥的初始是平衡的，则电桥的输出电压为 （12） 对于等臂电桥，即。则上式可以写成 （13） 由于，则（13）式可写成 （14） 对于如图4（a）所示的半桥单臂电路，只有一只电阻产生的变化，得 （15） 对于如图4（b）所示的半桥双臂电路，设产生正的变化，产生负的变化，且变化的绝对值相等，即，得 （16） 即为半桥单臂电路的2倍。当，产生的的绝对值相等，符号相同时，为0。 对于如图4（c）所示的全桥电路，设，产生正的变化，，产生负的变化，且的绝对值相等，即，产生正应变，，产生负应变，得 （17） 即为半桥单臂电路的4倍。若，产生负的变化，，产生正的变化，且的绝对值相等，则为0。 （2）交流电桥 交流电桥的四臂可为电阻、电容或电感。因此，电桥四臂需以阻抗Z1，Z2，Z3，Z4表示，电表的阻抗也需以Zg表示。按照直流电桥的推导方法，同样可导出交流电桥的输出公式。 交流电桥的一般形式如图5所示。交流电桥平衡的条件为 （18） 桥臂阻抗若以指数形式表示，（18）式则可写成 （19） 由复数相等的条件，故有 （20） 如图6所示，两臂由应变片组成，另两臂是应变仪中的精密无感电阻，考虑到应变片及线栅存在分布电容，所以两应变片可以看作由电阻和电容并联的阻抗组成（因为电感很小可忽略）。如在测量前对电桥分别同时进行电阻和电容的平衡调节，测量时又将连接导线固定，则电容的影响是很小的。对于半桥单臂电桥电路，输出电压与