第三章力的测量.ppt

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1、第三章 力的测量,第一节 电阻应变计 电阻应变计，也称应变计或应变片，是利用电阻应变效应做成的传感器，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件，是常用的传感器之一，下图为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝构成敏感栅1，用粘合剂粘在绝缘的基片2上。敏感栅上粘有盖片(即保护片)3。,第一节 电阻应变计,电阻丝较细，一般在0.0150.06mm，其两端焊有局的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)4作为引线，以便与测量电路连接。图中，l成为应变计的标距，也成(基)栅长，a称为(基)栅宽，l*a称为应变计的使用面积。,第一节 电阻应变计,使用时，用粘合剂将应变计贴在被测事件表面上。试件形变时

2、，应变计的敏感栅与试件一同变形，使其电阻发生变化，由测量电路将电阻变化转化为电压或电流的变化，再由显示器纪录仪将其显示纪录。应变计的电阻变化是与应变成比例的，因此，由显示纪录的电压或电流的变化，可得知被测试件应变的大小。 电阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应的，下面加以介绍。,第一节 电阻应变计,（一）、电阻应变效应 金属导线的电阻值与其长度L成正比，与其横截面积S成反比，用公式表示为： 式中金属导线的电阻率。 如果金属导线沿其轴线方向产生变形，则其电阻值也随其发生变化，这一物理现象称为金属导线的应变一电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，对上式取对数后，再微分得：,式中，dLL为金属导线长

3、度的相对变化率，用来表示，即 dSS为导线横截面积的相对变化率，当金属导线为圆形截面，其直径为D 时，则,第一节 电阻应变计,横向收缩和纵向伸长的之比用泊松比表示，则 代入式得,第一节 电阻应变计,由上式看出，金属导线受力变形后，其几何尺寸和电阻率发生变化，从而使其电阻发生变化。可以设想，如果将一根直径较细的金属丝粘贴在工程构件的表面上，利用金属丝的应变一电阻效应把构件表面的应变量直接变换成金属丝电阻的相对变化，这样就可以用电测的方法进行应变测量。,第一节 电阻应变计,（二）、金属丝的灵敏系数 用一根直的金属丝通过基底粘贴到被测试件上，当被测试件受力产生的应变量传递到金属丝之后，金属丝的电阻发

4、生变化。金属丝电阻的相对变化与其所承受的应变量有直接关系，由式得,第一节 电阻应变计,令 ，代入得 K0是单根金属丝的灵敏系数，它表示金属丝对所承受的应变量的灵敏程度。K0的大小受两个因素影响：一是由(1+2u)所表达的几何尺寸改变引起的；二是由金属丝受力后电阻率发生变化引起的，即 。,第一节 电阻应变计,这就从机理上对电阻应变效应作了一定的说明。可惜，电阻率到底依据什么规律随应变量变化，至今尚无圆满的解释。所以K0无法从理论上求出，而只能从实验中求得。 一般的金属丝在弹性区内，泊松比u=0.2-0.4，在塑性区内,u=0.5，假如导线变形后其电阻率不发生变化，则各种金属丝的灵敏系数K0=1.

5、41.8(弹性区)或K0=2.0(塑性区)。,第一节 电阻应变计,但是实验测得的几种不同材料金属丝的灵敏系数一般都超过2.0，如表3-1所示。这说明金属丝变形后其电阻率发生了变化。,第一节 电阻应变计,第一节 电阻应变计,电阻丝的灵敏系数K0是电阻材料的重要特性参数，在一定范围内，应变与电阻变化率RR存在着线性关系，其比值为一常数。实验证明，康铜的 与RR之间不但有良好的线性关系，而且这种线性关系远远超过应力-应变曲线的线性范围。它说明康铜在进入塑性变形区以后，K0仍保持常数。这就是应变片能用于应变测量的理论依据。,第一节 电阻应变计,由于具有一定阻值的单根电阻丝的长度很长，不便于直接使用，所

6、以在应变测量中通常都将电阻丝做成栅状，称为敏感栅。应当指出，敏感栅灵敏系数与是不同的，值需由实验确定。 （三）、电阻应变片的构造 下图是目前常用的电阻丝式应变片的结构示意图。它由基底、黏结层、敏感栅、覆盖层和引线组成。,1、3-黏结层；2-基底；4-覆盖层；5-敏感栅；6-引线；7-试件,第一节 电阻应变计,a基底 用以固定和支撑敏感栅、引线的几何形状和相对位置。当应变片粘贴在试件上后，基底与黏结剂一起把试件的变形传给敏感栅，并使敏感栅与试件绝缘。 基底材料主要有纸和有机聚合物。用纸作基底的应变片称为纸基应变片，这种应变片除了热稳定性和抗潮湿性稍差外，,第一节 电阻应变计,其他性能都能满足使用

7、要求，故目前在70以下的测量中多使用它。用有机聚合物(如酚醛树脂、环氧树脂和聚酰亚胺等)作基底的应变片称为胶基应变片，可用于工作温度较高，湿度很大(甚至水下)或长期测量中。在高温条件下工作的应变片，多采用石棉、无碱玻璃布或金属薄片等作基底。 b敏感栅,第一节 电阻应变计,应变片的核心部分，其作用是感受试件的应变，并将机械应变转换成电阻变化。 敏感栅的材料应满足下列要求：(1)灵敏系数保持常数，并能在较大的应变范围内保持线性；(2)电阻率高，可制造小型应变片，供测量应力集中时使用；(3)电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；(4)加工和焊接性能好，以利于制片；(5)具有足够的机械强度，以防制片时被

8、拉断。,第一节 电阻应变计,上述各项要求很难全部满足，只能根据使用条件挑选。一般说来，当测量静态应变时，应选用电阻温度系数较低的材料。当测量动态应变时，应选用灵敏系数较高的材料。国产应变片的敏感栅材料多用康铜、镍铬合金和p型单晶硅等。 c引线,第一节 电阻应变计,用以从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。引线的材料一般用低阻值的镀锡铜丝。 d覆盖层 覆盖层的作用是帮助基底维持敏感栅的几何形状，同时保护敏感栅不与外界金属物接触，以避免形成短路或机械损伤。覆盖层的材料多用胶膜或浸含有有机胶液(如环氧树脂、酚醛树脂等)的玻璃纤维布，也可在敏感栅上涂敷制片时所用的黏结剂作为保护层。,第一节 电阻应变计,

9、e黏结剂 黏结剂是具有一定电阻绝缘性能的黏结材料，用它将敏感栅固定在基底上，或将应变片的基底固定在被测试件的表面上。,第一节 电阻应变计,（四）、应变计的分类 从尺寸上讲，长的有几百mm，短的仅0.2mm；从结构形式上看，有单片，双片，应变花和各种特殊形状的图案；就使用环境上说，有高温，低温，水，核辐射，高压，磁场等；而安装形式，有粘贴式、焊接式、喷射式、埋入式、火焰喷涂等。,第一节 电阻应变计,主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同，将应变积分为金属式和半导体式两大类。 1、金属电阻应变计 金属电阻应变计常见的形式有丝式，箔式，薄膜式等。,第一节 电阻应变计,丝式应变是最早应用的品种。金属丝

10、弯曲部分可做成圆弧，瑞角或直角，如图所示。弯曲部分做成圆弧(U)形势最早常用的一种形式，制作简单但横向效应相对较大，制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小，其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。,（a）普通丝式；（b）短接丝式；（c）箔式；（d）半导体应变片,第一节 电阻应变计,箔式应变计的线栅是通过光刻，腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅(厚度一般在0.0030.01mm)。与丝式应变计相比有如下优点： 工艺上能保证线栅的尺寸正确，线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小。 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长(如基长为0.1mm)的应变计。,第一节 电阻应变计,敏感栅截面积为矩形，表面积大，散

11、热好，在相同截面情况下能通过较大电流（直径为0.025mm的康铜丝式应变片允许电流为35mA，箔式片可大几倍）。 厚度薄，具有较好的可挠性，它的扁平状箔栅有利于形变的传递。 蠕变小，疲劳寿命高。 横向效应小。 便于批量生产，生产效率高。,第一节 电阻应变计,第一节 电阻应变计,薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜(厚度在零点几纳米到几百纳米)，再加上保护层制成。其优点是灵敏度高，允许通过的电流密度大，工作温度范围广，可工作于-197317，也可用于核辐射等特殊情况下。 制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求：,第一节 电阻应变计,电阻率大。这样，在一定电

12、阻值要求下，同样线径，所需电阻丝长度短。 电阻温度系数小。高温使用时，还要求耐高温氧化性能好。 具有良好的加工焊接性能。 因此，常用的敏感元件材料是康铜(铜镍合金)。,第一节 电阻应变计,2、半导体应变计 它是用p型或n型硅或锗的单晶体为材料，按应力引起电阻变化最大的晶轴方向，经过切片、磨片、腐蚀、制作、焊接电极、片子老化处理、粘贴、加温和加压等工艺制成示意图,第一节 电阻应变计,第一节 电阻应变计,半导体应变计有如下优点：灵敏系数大，比金属应变计的灵敏度约大50100倍，输出信号大，以致不需放大就可以用示波器等简单仪器纪录测量结果。此外，机械滞后小、横向效应小、尺寸小等。,半导体,定义： 指

13、常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降,负的电阻温度系数 。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。锗和硅是最常用的元素半导体；还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等 。,半导体,半导体应用 ：最早的实用“半导体”是电晶体（Transistor）/ 二极体（Diode）。 一、在无线电收音机（Radio）及电视机（Television）中，作为“讯号放大器 /整流器”用。 二、近来发展太阳能（Solar Power），也用在光电池（Solar Cell）中。,半导体,三、半

14、导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1，甚至达到0.01也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100+300，是性价比极高的一种测温元件。 半导体照明 ：半导体发光二极管,半导体,晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可

15、达100GHz以上。,半导体,同电子管相比，晶体管具有诸多优越性： 构件没有消耗无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。 消耗电能极少仅为电子管的十分之一或几,半导体,十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。 不需预热一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一

16、点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等,半导体,方面，晶体管是非常有优势的。 结实可靠比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。,半导体,晶体管还特别适合用作开关。它也是第二代计算机的基本元件。人们还常常用硅晶体管制造红外探测器。就连可将太阳能转变为电能的电池太阳能电池也都能用晶体管制造。,半导体,太阳能光伏:光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半

17、导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。 把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热器受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。,第一节 电阻应变计,（四）、电阻应变片的工作特性 电阻应变片是一种重要的敏感元件。它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件。应变片的优点：测量应变的灵敏度和精确度高,测量范围大,尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小,能适应各种环境,价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。,第一节 电阻应变计,应变片的缺点：在大应变下具有较大的非线性，半导体应变计的非线性更为明显；输

18、出信号较微弱，故抗干扰能力较差。 1、电阻应变片的灵敏度系数 电阻应变片的电阻相对变化 与应变 之间在很大范围内是线形的，即 。,第一节 电阻应变计,电阻应变计的灵敏度系数k主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两者又不相等，其原因:一是由于横栅的存在（以丝式应变片为例），使制成敏感栅之后的灵敏系数小于金属丝的灵敏系数；二是试件表面的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，由于端部过渡区的影响又使应变片的灵敏系数小于敏感栅的灵,第一节 电阻应变计,敏系数，此差值不仅与基底和黏结剂的种类有关，还受黏结剂的固化程度以及应变片安装质量的影响。因此，应变片的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标。 电阻应变片的

19、灵敏系数是应变片最重要的参数之一，在直接测量零件应力时，需根据灵敏系数进行测量和换算。在实际使用中，应尽可能选用灵敏系数大，稳定好的应变片，以使传感器有较大的输出，,第一节 电阻应变计,提高测量精度。灵敏系数的名义值是通过抽样试验确定的，因此是一个平均值。 2、 电阻应变片的许用电流 应变片接入测量电路中，其敏感栅允许通过的最大工作电流叫做应变片的许用电流。当应变片通过电流时，由于焦耳热量，使应变片温度不断升高。当温度达到一定值时，由于热效应，一方面引起应变仪指针漂移，另一方面黏结剂开始软化，不能把,第一节 电阻应变计,试件变形全部传递给敏感栅，于是产生测量误差。严重时，将会把基底烧毁，因此必

20、须对通过应变片的最大电流予以限制。为了保证测量精度，静态测量时，一般小于25mA；动态测量时，可达到到75mA，甚至达到100mA。箔式应变片散热条件好，可取稍大些。 3 、电阻应变片的横向效应,第一节 电阻应变计,将同样长的金属线材做成敏感栅后，对同样应变，应变计敏感栅的电阻变化较小，灵敏度有所下降。这种现象称为应变计的横向效应。 为了减小横向效应，可采用直角线栅式应变计或箔式应变计。,第一节 电阻应变计,第一节 电阻应变计,4、应变片的温度效应 电阻应变片是利用金属细丝的应变电阻效应测量应变的，由于环境温度变化也会引起金属丝的电阻变化，这样就在测量应变的结果中引进了附加的影响。由温度变化引

21、起应变片的电阻变化，称为电阻应变片的温度效应。应变片的温度效应是一种虚假应变（也称为热输出），必须在测量中消除，否则将会大大降低测量精度。,第一节 电阻应变计,温度对应变片电阻值的影响很大，其原因如下： （1）、当温度变化时，由于应变片敏感栅材料本身的温度效应引起应变片电阻值改变；（2）、应变片粘贴在试件上之后，当温度变化时，由于应变片和试件材料的热膨胀系数不同，使应变片产生附加变形（伸长或缩短），从而使电阻值发生附加变化;,第一节 电阻应变计,（3）、由于温度升高，黏结剂强度降低并软化产生蠕变，试件的变形将不能准确地传递给敏感栅，故使应变片的灵敏系数也降低（相当于应变量减小）。这些虚假应变是

22、相当大的，有时甚至会超过被测量的机械应变值。因此，在应变片粘贴在试件上之后，除了机械应变产生电阻变化外，温度变化引起的电阻变化也叠加上去了，形成虚假应变信号，从而造成测量误差。,第一节 电阻应变计,由此可见，温度的影响不容忽视。为了提高测量精度，必须采取温度补偿措施，以消除或降低温度带来的影响。常用的温度补偿法有两种：桥路补偿法和温度补偿法，此两种方法适用于常温场合。若温度过高，必须采用冷却水套冷却；若温度再高，则需采用高温应变片和高温黏结剂。,第一节 电阻应变计,5、应变片的机械滞后 应变片粘贴在被测构件上后，当温度恒定时，应变片的指示应变与构件表面的机械应变之间应当是一个确定的关系，不论是

23、加载还是卸载过程都应当如此。然而实验表明（如图3-7所示），在增加或减少机械应变的过程中，对于同一机械应变量，应变片的指示应变有一个差值，此差值即为机械滞后。,第一节 电阻应变计,新安装的应变片，第一次承受应变载荷时，常常产生较大的机械滞后，经过几次加载卸载循环之后，机械滞后便明显地减少。所以，在正式测试之前都要预先加卸载若干次，一般不少于三次，以减少机械滞后对测量数据的影响。,第一节 电阻应变计,机械滞后的产生主要是由于敏感栅、基底和黏结剂在承受机械应变之后留下的残余变形所致。制造或安装应变片时，黏结剂固化不好或应变片在高温下工作时，机械滞后都会增加。,第一节 电阻应变计,第一节 电阻应变计

24、,（五）、 电阻应变片的选用 1、应变片的选择与检查 根据被测构件材质、形状、受力状况、环境温度、环境湿度、零件外形尺寸、使用期限和配套仪器等因素选择合适的应变片。 （1）应变片的尺寸选择。一般应力测点多时，选用210mm的应变片；如果贴片空间允许，应选用标距大的应变片；对集中应,第一节 电阻应变计,力和冲击应力的测量时，选用小标距应变片；对材质不均匀、强度不等的材料，选用大标距应变片。 （2）应变片的电阻值，一般应变仪的制造都以120为标准。提高供桥电压，是为了使传感器得到较大的电压输出，故应选用较高阻值的应变片，常选350或更高些。,第一节 电阻应变计,（3）应变片的外观检查：用放大210

25、倍的放大镜检查应变片敏感栅是否平直整齐，应变片栅间是否有粘贴不好的地方。纸基片要查看有无霉斑和锈点。箔式应变片还应检查敏感栅上有无针孔、缺口和裂纹。 2、应变片的粘贴工艺 （1）试件表面处理,第一节 电阻应变计,为使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须对试件表面进行机械、化学处理，处理面积约为应变片的23倍。首先除去油污、锈斑、涂料、氧化膜和镀层等，使之露出试件材料表面，然后用纱布或砂纸交叉打磨。用浸有丙酮、四氯化碳溶剂的纱布或脱脂棉球进行擦洗，直至棉球不见黑迹为止。如环境湿度大，还应对试件加热烘干，使水分蒸发，然后再贴片。,第一节 电阻应变计,（2）贴片 用脱脂棉蘸丙酮或无水乙醇擦洗处理好的贴

26、片表面及应变片的背面，晾干后均匀地涂粘结剂，开始浓缩时（时间视胶种类及温度而定，一般以手指触试不粘手，但留下指痕为度）将应变片贴上并找正位置。然后垫上一层玻璃纸，用手指滚压赶出气泡，使片贴牢。胶层（包括片基）约5080um左,第一节 电阻应变计,右。如发现有粘贴不牢处或翘起现象（尤其是在栅丝端部），可再补胶挤压，然后加压晾干。 （3）固化处理 对室温固化黏结剂，贴片后加一定压力或指压固化后即可。如用加热固化黏结剂贴片，则要按规定的固化规范加热固化。加压时应先垫一层聚四氟乙烯薄膜或玻璃纸，再垫橡皮或毛毡加压固化。,第一节 电阻应变计,（4） 粘贴质量检查 首先检查应变片是否贴正、贴牢，有无气泡和

27、发皱现象。然后用万用表检查应变片有无无压坏和断丝，最后用高阻表或摇表（对胶基应变片可用100V以下摇表）检查栅丝与试件间的绝缘（一般应在500M以上）。 3 、导线的处理,第一节 电阻应变计,A 应变片引线的固定 为防止应变片引线被拉断，应设法进行保护固定。一般常温下可采用在引线下面粘贴一层橡皮膏（氯化锌橡皮膏或其他绝缘胶带），然后在引线上面再盖覆盖层使引线固定。或用固定端子粘贴在适当位置进行连接。不论用哪种固定方法，都应使引线呈弯形，具有拉伸余量，与试件间要有良好的绝缘。,第一节 电阻应变计,B导线的焊接 导线接头处多用锡焊，一般用熔点约180左右的焊锡（40铅、60锡）。焊剂用松香或无瘸蚀

28、性焊锡膏。电烙铁通常用4060W，细导线和应变片引线的焊接宜用30W以下。焊接前先做好准备工作，焊接时迅速准确，时间不宜过长，以免产生过多的氧化物或损坏应变片的基底和丝栅。焊点要丰满光滑，牢固可靠，切忌虚焊。焊完要用丙酮或酒精等溶剂将焊剂清洗干净。,第一节 电阻应变计,4 、应变片的防护 为保证应变片的绝缘应采取妥善的防护措施，使潮气、水、油与应变片隔绝。目前采用的防护剂大致有：石蜡涂料、环氧树脂、酚醛一缩醛类胶等。 防潮剂涂层的范围一般应从应变片基底四周各向外扩展1015mm，要把应变片胶层,第一节 电阻应变计,引线和与它连接的导线以及焊点等全部覆盖上。涂层的厚度，薄的0.1mm，厚的2mm

29、左右。太厚了对试件有局部加强效应而影响测量精度。在大应变情况下，涂层太厚有时会产生裂纹,第二节 测量电路,在电阻应变测量中，由于应变片的电阻变化很小（一般在百分之几至万分之几），用一般的测量仪表不能精确地直接测量出来。因此必须采用一定形式的测量电路，将这微小的电阻变化量转换成电压或电流变化。再经电子放大器放大，然后用仪表显示或记录。通常采用的测量电路有电桥电路和电位计式电路。而电桥电路又分直流电桥电路、交流电桥电路和双电桥电路。,第二节 测量电路,一、 电桥电路及分类 电桥电路可测量10-3l0-5数量级的微小电阻的变化，精度高，稳定性好，易于进行温度补偿，所以电桥电路应用十分广泛。 电桥可有

30、下述几种分类方法 A 按供桥电源分 （1）直流电桥。即采用直流电源供桥，当电桥输出信号功率足够大，而不采用放大环节时，或采用自激调制放大环节时，可采用直流电桥。,第二节 测量电路,（2）交流电桥。一般采用频率较高（音频范围）的交流电源。当采用载波调制放大环节时，可采用交流电桥。 B 按电桥工作方式分 （1）平衡电桥。测量前将电桥调整为平衡状态。测量时因桥臂阻值发生变化使电桥失去平衡，此时调节电桥的某桥臂的电阻值，使电桥回复到平衡状态，即电桥输出,第二节 测量电路,为零。再以该桥臂电阻的调整量读出被测信号的大小。这种方法也叫“零读法”。平衡电桥的优点是测量精度高，因为读数与电源电压无关。但此法读

31、数前要经过平衡调节，故只用于静态测量。 （2）不平衡电桥。测量前将电桥调整为平衡状态。测量时因桥臂阻值发生变化使电桥失去平衡，此时可在其测量端接指示仪表直接读出输出的电压或电流值。若测量端接示波器记录，可用于动态测量。,第二节 测量电路,第二节 测量电路,C 按电桥的输出信号分 （1）电压输出电桥。当电桥的输出端接放大器（如应变仪的放大器）时，因放大器的输入阻抗高，远大于电桥的输出阻抗，电桥的输出端可视为开路状态，即只有电压输出，则该类电桥称为电压输出电桥。 （2）功率输出电桥。当电桥的输出端接电流表（内阻极小）时，为使电流表得到最大,第二节 测量电路,功率，要求电流表内阻与电桥输出电阻相匹配

32、，该类电桥称为功率输出电桥。 D 按电桥臂阻值分 （1）全等臂电桥。4个桥臂的阻值均相等，即在图3-8中，R1R2R3R4R。 （2）半等臂电桥。即在图3-8中，R1R2Ra，R3R4Rb，RaRb。,第二节 测量电路,二、 电桥工作原理 最简单的电桥电路如图3-9所示，它由4个桥臂电阻头尾相接而成。一个电桥可取为应变片，从1、1,2为应变片或14均为应变片的等几种形式。当为前两种形式时，在其余桥臂中接入电阻温度系数很小的精密无感固定电阻。顶点A、C和B、D分别称为电桥的输入端和输出瑞（在电工技术里常称为电源端和测量端）。,第二节 测量电路,下面，推导输入端加有一定电压时，电桥输出电压的表达式

33、。电桥的输入电压（电桥电源）可以是直流或交流的。为了能用简单的方式说明问题，不妨假定图中的电源为直流。在对于直流电桥和交流电桥而言，其一般规律是相同的。,第二节 测量电路,第二节 测量电路,先讨论输出端开路的情况，它最简单，但却很有意义。因为，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（实际上是流过测量端的电流很小）。在电桥设计中，这种电桥称为电压桥。这样，问题就变为求B、D两点间的电位差。,第二节 测量电路,如图所示，设输入电压E恒定。因为BD间开路，故电流 电阻和上的电压降分别为,第二节 测量电路,它们分别等于A点与B点，A点与D

34、点之间的电位差，即 将两式相减，可得D、B两点间的电位差即电桥输出电压为,第二节 测量电路,记为,第二节 测量电路,当 U=0时，表示电桥处于平衡，得 ，此即直流电桥的平衡条件。如果原处于平衡的电桥，各臂阻值分别有变化，电桥的输出电压将如何？得（3-2）,第二节 测量电路,注意，此式推导中利用了电桥平衡条件，而且是针对等臂或半等臂电桥。因此，在测试中接桥时，应予注意。,第二节 测量电路,如果电桥四臂均接入相同的应变片，则据式(3-3）有,第二节 测量电路,以上所讲，是电压桥，其电桥输出端为开路的情况。如果电桥负载为有限值，将对电桥的输出电压产生什么影响？在图 3-10中，应变电桥输出瑞接有负载

35、电阻。,第二节 测量电路,第二节 测量电路,在有些电阻应变仪中，为了使电桥功率能更有效的输出，选择适当的负载电阻使得电桥功率输出最大，这种电桥称为功率桥。 从电工学得知当电桥负载电阻与电桥内阻相等时，电桥输出功率最大此时获得最佳匹配。与电压桥相同推导方法，可以得到，在等臂电桥中，当各臂阻值发生变化时，功率桥输出电压与电流为,第二节 测量电路,由上可见，功率桥输出电压为电压桥的一半，但电桥各桥臂阻值变化对电压影响的规律完全相同。,第二节 测量电路,三、电桥的和差特性 式中应变以代数值代入，拉应变为正数，压应变为负数，可以看出，电桥的输出电压与电阻变化（或应变）的符号有关，并可以得出电桥的和差特性

36、：相邻臂电阻变化（或应变），同号相减，异号相加；相对臂电阻变化（或应变），同号相加，异号相减。该特性是应变测量中布片组桥与温度补偿的依据。,第二节 测量电路,为了提高电桥灵敏度，对于二臂或四臂工作的电桥，在组桥连线时，一定要把电阻变化（应变）符号相同的应变片接在相对桥臂而电阻变化（应变）符号相反的应变片接在相邻桥臂。 四、桥路的温度补偿 1、电桥补偿法 由于温度的变化引起应变片电阻值的变化，会给测量结果带来相当大的误差，,第二节 测量电路,因此必须采取温度补偿措施。利用电桥和差特性原理补偿是一种既简单又完善的补偿方法。在测量时，应变片不仅要感受到来自试件表面的应变，而且要“感受”到由于温度变化

37、而产生的虚假应变 。只要通过恰当的布片和相应的组桥，使电桥输出表达式中不含 ，测量结果中就不会受温度变化的影响，从而达到温度补偿的目的。,第二节 测量电路,对单臂工作电桥，必须采用补偿片。在图所示的电桥电路中，R3、R4为应变仪内部精密无感电阻，R1、R2是两个同型号、同规格的应变片，R1贴在被测试件上，使之与试件一起变形，叫做工作片。R2贴在另一与被测试件材料完全相同，且置于与R1片同一温度场中不受力的补偿块上。R2叫做温度补偿片。,第二节 测量电路,因此，温度变化引起的电阻变化量（R1）t和（R2）t或和数值相等，符号相同。由于R1与R2接在桥路内相邻臂上，则由电桥和差特性可知，（R1）t

38、和（R2）t或和在电桥输出表达式中互相抵消，这样应变片的温度效应在桥路中就得到补偿。 一般情况下，接入同一电桥各臂的应变片型号和规格是相同的，因此不管它们贴片方向如何，只要置于同一温度场中，,第二节 测量电路,由于温度变化而产生的电阻变化量（或“感受”到的虚假应变）都是相同的。 对单臂工作电桥，温度补偿片必须贴在不受力的补偿块上。而在相邻臂为工作臂的双臂电桥和四臂工作电桥中，由于相邻臂的工作片已能对温度效应进行补偿，因此无需另外再贴温度补偿片，因工作片本身就是温度补偿片了。这样就简化了测量工作。,第二节 测量电路,第二节 测量电路,2、其他温度补偿方法 （1）、辅助测温元件微型计算机补偿法,第

39、二节 测量电路,（2）双金属敏感栅自补偿应变计 图3-11电阻温度系数符号不同的双金属敏感栅自补偿应变计,第三节 电阻应变仪,利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用电子仪器称为电阻应变仪。它的功能是将应变电桥的输出电压放大，向显示记录器输出按被测量（应变、应力、力等）变化的电信号。 一、 应变仪的分类 应变仪的种类很多，根据不同的着眼点，有不同的分类方法。,第三节 电阻应变仪,1、 根据应变仪中放大器的种类分 A 直流放大式应变仪 它采用直流电桥，放大器则采用差分放大器或调制型直流放大器。由于系直流供电，不存在分布电容的影响，故可使用较长的连接导线，易于预调平衡，并且工作频率范围较宽010

40、kHz）。但是，为解决直流放大器的零漂问题，这种应变仪结构较复杂，造价较高。它适用于对被测量的静态测量。,第三节 电阻应变仪,B 载波放大式应变仪 它采用交流电桥，放大器则是载波式放大器，整个仪器结构简单，性能稳定，使用广泛。它的缺点是容易受分布电容的影响，连接导线不能太长，预调平衡较麻烦。它适用于对被测量进行动态测量。 2 、根据应变仪所测应变的频率响应范围分 A 静态电阻应变仪,第三节 电阻应变仪,工作频率为0Hz，用以测量静应变。采用交流供桥-载波放大形式的静态应变仪的一般原理框图如图3-12所示。它一般采用双电桥零读法，即两组电桥通常保持平衡状态。当测量应变片的阻值随机械变形而变化时，

41、测量桥失去平衡。此时相应地调整读数桥上可调电阻，以读数桥输出的不平衡电压来平衡测量电桥输出的信号电压，使指示器指零，从读数桥的桥臂电阻变化读得被测值的大小。,第三节 电阻应变仪,双桥零读法不仅具有测量桥四臂可同时工作和与电源电压波动无关等优点，而且读数桥的桥臂可采用低阻值的精密线绕无感电阻，便于制造。静态电阻应变仪每次只能测一个点，即只能和相应测点的应变片构成一个应变电桥。测另一个点时，需要重新接线，构成另外一个电桥。当进行多点测量时，必须配用多点预调平衡箱，以解决接点和预调平衡问题。,所有测点的应变片均预先连接于箱体上，然后靠开关逐点转换接入应变仪，并可在测量前对每个电桥进行预调平衡。其中又

42、分为手动预调平衡和切换及自动预调平衡和切换两类。 B 静动态电阻应变仪 静动态电阻应变仪用以测量工作频率在0200Hz的静动态应变。这种应变仪用于测量静态应变时，可配用预调平衡箱作多点静态应变测量，且设有灵敏系数调节装置；,用于动态应变测量时，只能测量一个测点。 静动态电阻应变仪基本结构与静态应变仪相似，电桥部分也是采用双桥零读法。但为满足动态应变测量的需要，除有平衡指示外，在相敏检波器后还需加设低通滤波器。经滤波后，才能将信号送到记录器记录。 C 动态电阻应变仪,第三节 电阻应变仪,动态应变仪工作频率一般为02kHz（个别达10kHz），采用直读法，并配备显示记录仪表进行显示记录。传统的采用

43、交流供桥-载波放大形式的动态电阻应变仪的一般原理框图如图3-13所示。它采用单电桥直读法，即将测量电桥输出的信号电压（或电流）放大后直接指示被测值的大小。另外设有标定桥作为应变信号的比较基准。一台动态应变仪有多个通道，每一个通道只能测量一个点。例如，Y6D3A型。,第三节 电阻应变仪,第三节 电阻应变仪,D 超动态电阻应变仪 它主要用来测量爆炸和高速冲击等瞬态应变用。它的电桥采用直流供桥电压，以提高输出灵敏度；它的放大器分前后两级，均为单端输入差分放大器，采用负反馈并附有伺服放大器，使漂移产生的误差得到抵消和补偿。此外，它还备有图像显示器和高速同步摄影记录仪。例如，Y6C9型。,第三节 电阻应

44、变仪,E 特种应变仪 它是适用于特殊应变测量需要、具备某种特殊效能的专用应变仪。如大变形测量装置（适用于塑性变形范围的应变测量，能消除一般应变测量中变形较大时所产生的较大非线性误差）；静动态应变分析仪（适用于用应变花进行平面应力测量，能数字显示所测3个方向的行自动运算，数字显示所测点的主应力大小和方向）；遥测应变仪（适用于运动件等的非接触式测量）；测压仪（适用于轧机负荷指示）。,第三节 电阻应变仪,二、电阻应变仪的组成及工作原理 1、电阻应变仪的组成 A 电桥 载波放大式应变仪采用交流电桥，测量电桥由贴在试件上的应变片或固定电阻组成。它的主要作用是将应变片的电阻变化按一定比例转换成电压或电流变

45、化，同时实现应变信号的调制。,第三节 电阻应变仪,它由应变仪内的振荡器供给一个振幅稳定的正弦波电压作为桥压，其频率通常比被测信号的频率高510倍，称为载波。载波信号在电桥内被缓慢变化的被测信号调制后，变成振幅随被测信号的大小而变化的调幅波，然后输至交流放大器放大。这种调幅波有利于采用频率特性要求较低的窄频带交流放大器，从而简化了仪器的结构。 B 放大器,第三节 电阻应变仪,载波放大式应变仪多采用多级窄频带交流放大器，其作用是将电桥输出的微弱调幅波电压信号进行不失真的电压和功率放大，以便得到足够的功率去推动指示或记录仪表。经放大器放大后的调幅波的频率和相位与电桥输出的调幅波相同，只是振幅放大了。

46、,第三节 电阻应变仪,C 相敏检波器 相敏检波器的作用是解调，即将放大后的调幅波还原成与被测信号波形相同的波形。它与普通检波器不同之处是能够根据来自放大器的调幅波的相位辨别原来被测信号的极性，即能辨别被测信号是拉应变还是压应变。,第三节 电阻应变仪,D 低通滤波器 相敏检波后的波形中仍带有高频载波分量和高次谐波。低通滤波器的作用就是把这些残余的载波分量和高次谐波滤掉，而让被测信号波形通过，以便在输出端得到与被测信号变化规律完全一样的、经过放大了的电信号。滤波器一般采用由电感、电容组成的低通滤波器。滤波器的频率特性很大程度上决定了应变仪的频率特性。,第三节 电阻应变仪,E 振荡器 载波放大式应变

47、仪中的振荡器是一个他激电源，用来产生一种幅值稳定的高频正弦波电压，作为电桥的供桥电压（即载波电压），同时提供相敏检波器的参考电压(即解调电压）以实现鉴相解调。静态应变仪的振荡频率（即载波频率）在5002000Hz，动态应变仪在550kHz之间，视应变仪工作频率范围而定。,第三节 电阻应变仪,F 电源 电源用以供给振荡器和放大器一个稳定的工作电压，一般采用由220V交流电供电的直流电子稳压器。该电压不随供电网络电压的波动而波动，也不随负载的变化而变化。,第三节 电阻应变仪,G 指示仪表或记录器 静态应变仪中的指示器系直流微安（或毫安）表，一般仅作调零指示，也有的兼作读数用。动态应变仪中，被测信号

48、一般是具有一定频率的交变信号，故不宜采用指针式电表，而是将滤波器输出的被测信号送到专门的记录器（如以前常用的光线示波器）进行显示记录。,第三节 电阻应变仪,2 、电阻应变仪的工作原理 当测量电桥工作桥臂上的应变片受机械变形而产生的电阻变化时，在电桥中调制了由振荡器来的正弦载波，在电桥输出端输出一个微弱的调幅波信号。调幅波的包络线与应变信号相似，频率与载波信号频率相近。,第三节 电阻应变仪,由于电桥输出的电压一般为毫伏级，它无法产生几十毫安电流推动光线示波器振子工作，因此要把这微弱的电压信号送入交流放大器进行无失真放大。放大后的信号保持了应变信号的形状，但功率却大大增加。又由于光线示波器振子的频

49、率响应远低于应变仪电桥电源的角频率，无法将波形记录下来；同时放大后的调幅波形可看做是上下对称的，不能辨别应变片的受力,第三节 电阻应变仪,方向，因此要用相敏检波器将上下对称的调幅波形变换成对应于应变片受力方向的波形。这样应变仪输出的信号就能区别应变片是处于受拉还是受压状态。所以要把已放大了的调幅波送入相敏检波器进行解调，即将载波去掉而保留应变信号的调幅波形。因相敏检波后输出的电流波形中仍然含有载波及其高次谐波分量，它将影响,第三节 电阻应变仪,到记录仪器的正常工作，使振子发热。另外，含有载波的波形将使记录曲线模糊。所以还要通过低通滤波器将残余的高频载波及其高次谐波分量去掉，以保留应变信号波形。这个放大了的应变信号就可以推动记录装置工作，从而在记录纸上绘出一条与机械变形过程一致的电信号波形。,第三节 电阻应变仪,综上所述电阻应变仪的工作原理可简单地概括为调制、放大和解调3个过程。即设法把缓慢变化的应变信号预先变换成频率较高的交流信号，然后送入交流放大器进行放大，最后再把放大后的交流信号输入相敏检波器和滤波器恢复