電阻應(yīng)變儀等測(cè)試儀器使用及電路原理

1、&實(shí)驗(yàn)七 電阻應(yīng)變儀等測(cè)試儀器使用及電路原理一、YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 電阻應(yīng)變儀型號(hào)繁多，常用的有靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，如YJ-16，YJ-25,7V14C型，靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀YJD-1型，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀YD-15型，以及數(shù)字式應(yīng)變儀，遙測(cè)應(yīng)變儀等，現(xiàn)以YJ-25為例作一介紹。YJ-25靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采用了大規(guī)模集成電路，數(shù)碼顯示和長(zhǎng)導(dǎo)線補(bǔ)償技術(shù)。具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，重量輕，使用和維修方便等特點(diǎn)。1 結(jié)構(gòu)原理（1） 該儀器主要特點(diǎn)是將放大后的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)碼顯示，讀數(shù)方便準(zhǔn)確，其原理框圖見(jiàn) 圖7-1。被測(cè)信號(hào)220v信號(hào)發(fā)生器電橋盒放 大 器檢波

2、解調(diào)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)碼顯示穩(wěn)壓電源圖7-1 應(yīng)變儀原理框圖（2） 儀器結(jié)構(gòu)，前面板如圖7-2。包括：電源開(kāi)關(guān)、粗細(xì)調(diào)節(jié)、基零測(cè)量按鈕及靈敏系數(shù)、電阻平衡、基零平衡調(diào)節(jié)旋鈕和讀數(shù)顯示屏。后面板如圖7-3所示。包括：標(biāo)定、電橋盒、轉(zhuǎn)換器；靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕及電源輸入插口、預(yù)調(diào)箱插口、保險(xiǎn)絲等。靈敏系數(shù)電阻平衡基零平衡測(cè)量基零粗 細(xì)開(kāi)關(guān)標(biāo)定電橋盒平衡電源220平衡箱圖7-2 前面板示意圖 圖7-3 后面板示意圖2 操作步驟（1） 接線：聯(lián)接電源，應(yīng)變儀及電橋盒的各接線。將與工作片和補(bǔ)償片相聯(lián)的導(dǎo)線接入電橋盒。根據(jù)測(cè)量的需要，電橋盒的接線有半橋及全橋聯(lián)接兩種。 半橋聯(lián)接：電橋盒（圖7-4）上的1，2，3，4

3、分別相當(dāng)于電橋的A、B、C、D四個(gè)接線柱。R3，R4為電橋盒內(nèi)的兩個(gè)120無(wú)感線繞電阻作為內(nèi)半橋。將接線柱1和5，3和7，4和8分別短接，在1、2之間接工作片R1，2、3之間接補(bǔ)償片R2，即為半橋單點(diǎn)測(cè)量接線。見(jiàn)圖7-4（a）。 全橋聯(lián)接：將電橋盒1和5，3和7，4和8之間的短接片全部取下。分別在（1、2），（2、3），（3、4），（4、1）之間接應(yīng)變片。即為全橋聯(lián)接見(jiàn)圖7-4（b）。R4R1 R2 1 2 3 4 5 6 7 8R4R3 1 2 3 4 5 6 7 8R1 R2 R3 （a）（b） 圖7-4 電橋盒示意圖 多點(diǎn)測(cè)量時(shí)應(yīng)變片的導(dǎo)線接入P20R-25型預(yù)調(diào)平衡箱，并將預(yù)調(diào)平衡與應(yīng)

4、變儀聯(lián)在一起，后面板上的開(kāi)關(guān)撥到預(yù)調(diào)箱檔上。（2） 標(biāo)定：調(diào)整靈敏系數(shù)，使指示值K對(duì)在2.00上，在儀器標(biāo)定后，再對(duì)至與應(yīng)變片靈敏系數(shù)相同的數(shù)值上。（3） 通電：檢查接線無(wú)誤后，按下電源開(kāi)關(guān)。（4） 調(diào)節(jié)：按下“基零”開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)“基零”電位器，使顯示屏顯示為±0000。再按下“測(cè)量”開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)“電阻平衡”電位器，使熒屏顯示為±0000，這時(shí)將“粗”，“細(xì)”開(kāi)關(guān)置于“細(xì)”，若調(diào)零無(wú)法調(diào)到±0000時(shí)，則按下“粗”。將后面板開(kāi)關(guān)撥至“標(biāo)定”檔，調(diào)節(jié)“靈敏度”電位器，使標(biāo)定值顯示為-10000然后撥至“電橋盒”檔。反復(fù)幾次調(diào)平衡（零點(diǎn)）和標(biāo)定值讀數(shù)（10000）。為了提

5、高測(cè)試精度，若條件允許，每隔一段時(shí)間在無(wú)載荷情況下核對(duì)一下平衡和標(biāo)定值讀數(shù)。（5） 測(cè)量：再次按上“測(cè)量”開(kāi)關(guān)，儀器即可按預(yù)定加載方案進(jìn)行測(cè)量。（6） 還原：測(cè)試完畢，關(guān)閉電源，拆下各接線，整理好現(xiàn)場(chǎng)，試驗(yàn)結(jié)束。3注意事項(xiàng)（1） 儀器使用前應(yīng)預(yù)熱半小時(shí)，可連續(xù)工作4小時(shí)。周圍應(yīng)無(wú)腐蝕性氣體及強(qiáng)磁場(chǎng)干擾。（2） 導(dǎo)線、連線，插頭均應(yīng)旋緊。測(cè)量工作片與補(bǔ)償片值應(yīng)盡量一致，連接導(dǎo)線應(yīng)采用長(zhǎng)度，規(guī)格相同的屏蔽電纜，測(cè)量時(shí)導(dǎo)線不得移動(dòng)。（3） 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)立即關(guān)掉電源。二、多點(diǎn)測(cè)量預(yù)調(diào)平衡箱 預(yù)調(diào)平衡箱是與靜態(tài)應(yīng)變儀配套使用進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量的儀器。常用的平衡箱可同時(shí)測(cè)量20個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變

6、值，可進(jìn)行半橋（單片補(bǔ)償和多點(diǎn)公共補(bǔ)償），全橋應(yīng)變測(cè)量及對(duì)其它轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)物理量的測(cè)量。1結(jié)構(gòu)與工作原理 預(yù)調(diào)平衡箱1-20點(diǎn)中任一點(diǎn)半橋連接如圖7-5所示。任一點(diǎn)全橋連接如圖7-6所示。R1、R2、R3、R4全部為工作片。R3R4EUDBAB CDR1 R2rWR3R4EUDBAB CDR1 R2rW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 1516 17 18 19 20P20R25型預(yù)調(diào)平衡箱上海華東電子儀器廠 圖7-5 半橋連接 圖7-6 全橋連接圖7-7 平衡箱前面板示意圖圖7-7中為切換開(kāi)關(guān)。轉(zhuǎn)換該開(kāi)關(guān)可進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，當(dāng)該開(kāi)關(guān)置于“0”時(shí)，預(yù)調(diào)箱處于轉(zhuǎn)換狀

7、態(tài)。為電阻平衡電位器。它是用于調(diào)節(jié)測(cè)量點(diǎn)橋路的電阻平衡，將該電位器順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)應(yīng)變值增大，反之，減小。ABCD 1 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 20圖7-8 平衡箱后面板示意圖1 使用方法（1） 將YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的“選擇開(kāi)關(guān)”置“轉(zhuǎn)換”檔。靈敏系數(shù)盤調(diào)到和使用的應(yīng)變片靈敏系數(shù)相同的數(shù)值上。（2） 平衡箱聯(lián)接線分別插入“預(yù)調(diào)箱”座和“應(yīng)變儀”座。（3） 按下YJ-25應(yīng)變儀的電源開(kāi)關(guān)接通電源。并將“測(cè)量基零”開(kāi)關(guān)置“測(cè)量”檔。（4） 將“切換開(kāi)關(guān)”置于“1-20”檔，調(diào)節(jié)相應(yīng)

8、電阻平衡電位器，使YJ-25電阻應(yīng)變儀顯示為“±0000”。（5） 接線半橋時(shí)將平衡箱后面板轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到半橋，在平衡箱上把工作片接在AB接線柱上，把補(bǔ)償片接在BC接線柱上。若想用一個(gè)片補(bǔ)償所有工作片，可用短接銅片把對(duì)應(yīng)的C行所有接線柱短接起來(lái)。在BC上接一只補(bǔ)償片。全橋測(cè)量時(shí)，將平衡箱后面板轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置全橋位置，并依次將應(yīng)變片引線接在平衡箱的ABCD接線柱上。（6） 加載，旋轉(zhuǎn)“切換開(kāi)關(guān)”記錄相應(yīng)的測(cè)量值。 注意：如在測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)有跳字現(xiàn)象，可將橋路B節(jié)點(diǎn)和接地柱用導(dǎo)線將它們連接起 來(lái)，并要求電源插座的接地線接地。三、電測(cè)法的基本原理電測(cè)方法不僅用于驗(yàn)證材料力學(xué)的理論、測(cè)量材料的機(jī)械性能

9、，而且作為一種重要的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)解決實(shí)際工程中的問(wèn)題及從事研究工作。電測(cè)法就是將物理量、力學(xué)量，機(jī)械量等非電量通過(guò)電感元件轉(zhuǎn)換成電量來(lái)進(jìn)行測(cè)量的一種實(shí)驗(yàn)方法，其原理框圖如下圖所示。 敏 感 元 件 測(cè) 量 設(shè) 備 被測(cè)構(gòu)件電 量測(cè)量結(jié)果 光、電、機(jī)械傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理 物 力 機(jī) 生 電 電 數(shù) 理 學(xué) 械 物 壓 流 字 量 量 量 參 量 數(shù) 圖7-9 電測(cè)技術(shù)原理框圖電測(cè)法之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦轮T方面的優(yōu)點(diǎn)：（1） 靈敏度高，測(cè)量范圍廣。如應(yīng)變測(cè)量范圍為±1±10微應(yīng)變，力或重力的測(cè)量范圍為10-2105N等。（2） 能進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)測(cè)量，頻響范圍為0&

10、#177;50KHZ。（3） 輕便靈活，可用于現(xiàn)場(chǎng)及野外等惡劣環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。（4） 能在高溫、低溫及高壓液下等特殊條件下的測(cè)量。（5） 便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理?？蓮V泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理的自動(dòng)化及其控制。一、 電阻應(yīng)變片的構(gòu)造及工作原理金屬絲的電阻值隨機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變一電效應(yīng)。電阻式敏感元件稱作電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片分絲式電阻片和箔式電阻片兩大類。絲繞式應(yīng)變片是用直徑為0.0030.01mm的合金絲繞成柵狀而制；箔式應(yīng)變片則是用0.0030.01mm厚的箔材經(jīng)化學(xué)腐蝕成柵狀。主體敏感柵是一個(gè)電阻，在感受被測(cè)物體的應(yīng)變時(shí)，其電阻也同時(shí)發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明被測(cè)物體測(cè)量部位的應(yīng)變

11、片與電阻變化率R/R成正比關(guān)系。即 （7-1）式中Ks稱為金屬絲的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)上式也可由物理學(xué)基本公式導(dǎo)出：電阻值R與電阻絲長(zhǎng)度L及截面積A之間的關(guān)系為： （7-2）為金屬絲的電阻率，上式等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)再微分得： （7-3）根據(jù)金屬物理和材料力學(xué)理論得知A/A，/也與L/L成線性關(guān)系，由此得到： = （7-4） 式中：金屬絲材料的泊桑系數(shù)。 m常數(shù)與材料的種類有關(guān)。（7-4）式說(shuō)明粘貼在構(gòu)件上的電阻片，其電阻變化率R/R與其感受的應(yīng)變值L/L成正比，比例系數(shù)為Ks。由于電阻片的敏感柵并不是一根直絲，所以比例系數(shù)一般在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變梁上由抽樣標(biāo)定測(cè)得，標(biāo)定梁為純彎梁或等強(qiáng)度鋼梁。對(duì)電阻片來(lái)說(shuō)，式（

12、7-4）可寫成。二、電阻片的溫度效應(yīng)溫度變化時(shí)，金屬絲的電阻值也隨著產(chǎn)生變化，稱之為（R/R）T。該電阻變化是由兩部分引起的，一是電阻絲的電阻溫度系數(shù)引起的另一部分是由于金屬絲與構(gòu)件的材料膨脹系數(shù)不同而引起的：因而溫度引起的電阻變化為 （7-5）式中金屬絲（箔）材料的電阻溫度系數(shù)；金屬絲（箔）材料的熱膨脹系數(shù)；構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)。要想準(zhǔn)確地測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變，就要克服溫度對(duì)電阻變化的影響，一種方法是使電阻片的系數(shù)等于零，這種電阻片稱為溫度自補(bǔ)償電阻片；另一種方法是利用測(cè)量電路電橋的特性來(lái)克服的，這將在下面仔細(xì)闡述。四、 測(cè)量電路-電橋的工作原理測(cè)量電路的作用是將電阻片感受的電阻變化率R/R變換成

13、電壓變化輸出，再經(jīng)放大電路放大。測(cè)量電路有許多種，最常用的是橋式電路，它有四個(gè)橋臂R1，R2，R3，R4按順序接在A、B、C、D之間 圖7-11。電橋的對(duì)角點(diǎn)AC接電源E。另一對(duì)角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓uDB?？梢宰C明輸出電壓。 （7-6）若電橋的四個(gè)橋臂與四枚粘貼在構(gòu)件上的電阻片連接。當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，其電阻值的變化分別為：，此時(shí)，電橋的輸出電壓即為： （7-7）由式（7-7）和（7-4）可以解出電橋電壓的變化量UDB。當(dāng)R/R 1，UDB可以簡(jiǎn)化為 （7-8）式中a=R2/R1，b=R3/R4,當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，（7-8）式又可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成 （7-9）上式表明，電橋輸出電壓的

14、變化量UDB與兩個(gè)橋臂的電阻變化率成線性關(guān)系，需要注意的是該式成立的必要條件是：a、 小應(yīng)變 1 b、等橋臂，即R1=R2=R3=R4當(dāng)四枚電阻片的靈敏系數(shù)K相等時(shí)，（7-9）式可以寫成 （7-10） 式中：1，2，3，4分別代表電阻片R1，R2，R3，R4感受的應(yīng)變值。上式表明，電壓變化量UDB與四個(gè)橋臂電阻片對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值1，2，3，4成線性關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意，式中的是代數(shù)值，其符號(hào)由變形方向決定。通常拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)，可以看出，相鄰兩臂的（例如，1，2或3，4）符號(hào)一致時(shí)，根據(jù)式（7-9）應(yīng)變相互抵消。如符號(hào)相反，則兩應(yīng)變絕對(duì)值相加。兩相對(duì)橋臂的（例如1和3）符號(hào)一致時(shí)，其絕對(duì)值相加，否

15、則二者相互抵消。顯然，不同符號(hào)的應(yīng)變按照不同的順序組橋，會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量效果。因此，靈活地運(yùn)用（7-10）式正確地布片和組橋，可提高測(cè)量的靈敏度并減少誤差。這種作用稱為電橋的加減特性。下面討論幾種常用的組橋方式。1 組橋方式（1） 單臂測(cè)量，電橋中只有一個(gè)橋臂（常用AB臂）是參與機(jī)械變形的電阻片，其它三個(gè)橋臂的電阻片都不參與機(jī)械變形。這時(shí)，電橋的輸出電壓為： （7-11）（2） 半橋測(cè)量。電橋中相鄰兩個(gè)橋臂（常用AB、BC橋臂）參與機(jī)械變形的電阻片，其它兩個(gè)橋臂是不參與機(jī)械變形的固定電阻。這時(shí)電橋的輸出電壓為 （7-12）（3） 對(duì)臂測(cè)量。電橋中相對(duì)的兩個(gè)橋臂（常用AB、CD橋臂）是參機(jī)械變形

16、的電阻片，其它兩個(gè)橋臂是固定電阻，這時(shí)電橋的輸出電壓為EBR2R1 DC （7-13）A（4） 全橋測(cè)量。電橋中四個(gè)橋臂都是參與機(jī)UDB械變形的電阻片。這時(shí)電橋輸出電壓與公式（7-9）R4R3及（7-10）相同。另外，還有串聯(lián)組橋方式，即兩枚參與機(jī)械變形電阻片串聯(lián)在同一橋臂中，其測(cè)量結(jié)果為兩枚電阻片電阻變化率的平均值。 圖7-10橋式測(cè)量電路2. 溫度補(bǔ)償片前已述及電阻片的電阻隨溫度的變化而變化的，利用電橋的加減特性，可通過(guò)溫度補(bǔ)償片來(lái)消除這一影響。所謂溫度補(bǔ)償是將電阻片貼在與構(gòu)件材質(zhì)相同但不參與變形的一塊材料上，并與構(gòu)件處于相同的溫度條件下。將補(bǔ)償片正確地連接在橋路中即可消除溫度變化所產(chǎn)生的

17、影響。下面分別討論各種組橋方式溫度補(bǔ)償片的連接方法。通常參與機(jī)械變形的電阻片稱為工作片在電橋中用符號(hào) 來(lái)表示；溫度補(bǔ)償片用符號(hào) 來(lái)表示；另外儀器中還接有不隨溫度變化的內(nèi)接標(biāo)準(zhǔn)電阻。（1）單臂測(cè)量 圖7-11。其中BC臂接溫度補(bǔ)償片，CD，DA臂接儀器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電 阻?？紤]溫度引起的電阻變化 （7-14）由于R1和R2溫度條件完全相同，因此，所以電橋的輸出電壓只與工作引起的電阻變化有關(guān)，與溫度變化無(wú)關(guān)。即 （7-15）（2）半橋測(cè)量 圖7-12。其中AB、BC臂接工作片，CD、DA仍接儀器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻。兩枚工作片處在相同的溫度條件下， （7-16）ER3R4UDBABCDR3R4EUDBAB CDC橋路的加減特性自動(dòng)消除了溫度的影響，無(wú)需另接溫度補(bǔ)償片。 圖7-11 溫度補(bǔ)償電路 圖7-12 半橋測(cè)量R3R4EUDBABCDR3R4EUDBABCD（3）對(duì)臂測(cè)量 圖7-