內(nèi)工大 測(cè)試技術(shù) 2012測(cè)試新思路(第四章力+調(diào)理電路)

第四章

力參量的測(cè)量

（含信號(hào)的調(diào)理）各種傳感器輸出的（電）信號(hào)在準(zhǔn)確讀取結(jié)果前會(huì)遇到傳輸、放大、濾波等問題。測(cè)量中常遇到以下問題：傳感器輸出的電量信號(hào)不易傳輸；傳感器輸出的電量信號(hào)為緩變的微弱信號(hào)，無法直接推動(dòng)儀表指示；傳感器輸出的信號(hào)含有大量的干擾和噪聲；本章以動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為例，結(jié)合力參量的測(cè)試介紹以上問題的解決方法。（電橋）（放大、調(diào)制、解調(diào)）（濾波）力是物體之間的相互作用，各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)都是力或力矩傳遞的結(jié)果，因此力參量是機(jī)械工程中最常見的基礎(chǔ)被測(cè)參量之一。在研究機(jī)器零件的剛度、強(qiáng)度、設(shè)備的力能關(guān)系以及工藝參數(shù)時(shí)都要進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量。力參量測(cè)量方法機(jī)械測(cè)力法光學(xué)測(cè)力法電測(cè)法電阻應(yīng)變式電測(cè)法，其測(cè)量系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)變式力傳感器、測(cè)量電路、顯示與記錄儀器或計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成。u或iε

電阻應(yīng)變式力傳感器測(cè)量電路顯示、記錄儀器或計(jì)算機(jī)

§4-1電阻應(yīng)變式力傳感器（P38）電阻應(yīng)變式力傳感器具有悠久的歷史，是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。應(yīng)變式電測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：非線性小，電阻的變化同應(yīng)變成線性關(guān)系；應(yīng)變片尺寸?。ㄎ覈?guó)的應(yīng)變片柵長(zhǎng)最小達(dá)0.178mm），重量輕（一般為0.1~0.2g），慣性小，頻率響應(yīng)好，可測(cè)0～500kHz的動(dòng)態(tài)應(yīng)變；③測(cè)量范圍廣，一般測(cè)量范圍為10~10-4量級(jí)的微應(yīng)變；測(cè)量精度高，動(dòng)態(tài)測(cè)試精度達(dá)1%，靜態(tài)測(cè)試精度可達(dá)0.1%；可在各種復(fù)雜或惡劣的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量。基本元件電阻應(yīng)變片可分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類，是一種將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的變換元件。應(yīng)變片不僅能測(cè)應(yīng)變，而且對(duì)能轉(zhuǎn)化為應(yīng)變變化的物理量，如力、扭矩、壓強(qiáng)、位移、溫度、加速度等，都可利用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，所以它在測(cè)試中應(yīng)用非常廣泛。設(shè)有一根長(zhǎng)度為l、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為

兩邊取對(duì)數(shù)，得等式兩邊取微分，一、導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng)

當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

l△ldR/R

——電阻的相對(duì)變化；dρ/ρ——電阻率的相對(duì)變化；dl/l——金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，用ε表示，ε=dl/l

,稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變；

dS/S——截面積的相對(duì)變化。S=πr2dS

/S=2·dr/rdr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)棣舝。εr=–με由材料力學(xué)知：將微分dR、dρ改寫成增量ΔR、Δρ，則金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長(zhǎng)或縮短之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。變形變性物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。KS由兩部分組成：前一部分是（1+2μ），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分為，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)金屬材料，以前者為主，則KS≈1+2μ；對(duì)半導(dǎo)體，KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。通常KS在1.8～3.6范圍內(nèi)。二、金屬電阻應(yīng)變片

金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。金屬應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小。1、絲式應(yīng)變片

由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。

2341bl柵長(zhǎng)柵寬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖（1）敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形，直徑：（0.015～0.05）mm應(yīng)變片的阻值：60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。（允許有一定的誤差，但不能太大，否則影響平衡）標(biāo)距=柵寬×柵長(zhǎng)=b×l

較大的應(yīng)變片：5×100（200）mm

較小的應(yīng)變片：1×1（2）mm等。結(jié)構(gòu)：回線式（a）和短接式（b）一般至少用兩個(gè)，一個(gè)做測(cè)量，一個(gè)做溫度補(bǔ)償，或用四個(gè)，兩個(gè)做測(cè)量，兩個(gè)做溫度補(bǔ)償。（2）基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬?；撞牧希耗z基和紙基（3）引線

是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線，直徑（0.15～0.2）mm。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。（4）粘結(jié)劑

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。2、箔式應(yīng)變片

金屬箔式應(yīng)變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約1—10μm，散熱好，粘結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片。三、半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬電阻應(yīng)變片相同，即粘貼在彈性元件或被測(cè)物體上，其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng)

變而變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。λE()xRRem++=D21所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高；缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。做一批應(yīng)變片，各不相同；同一批應(yīng)變片在不同條件下，變化很大。四、應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K：金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)——指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸向方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。Ks:金屬絲的靈敏度系數(shù)——金屬單絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之比。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)旁诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系。即：

K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。思考：K與KS大小的關(guān)系？金屬應(yīng)變片,除了測(cè)定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來測(cè)定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測(cè)物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

柱式力傳感器梁式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)用1、柱式力傳感器

圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。柱式力傳感器-ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的α方向，（四）應(yīng)變式傳感器應(yīng)用ε1——沿軸向的應(yīng)變；μ——彈性元件的泊松比。當(dāng)α=0時(shí)當(dāng)α=90?時(shí)E：彈性元件的楊氏模量其應(yīng)變?yōu)椋篠：彈性元件的截面積柱式力傳感器（壓力測(cè)量）2、梁式力傳感器

等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長(zhǎng)為L(zhǎng)，粱厚為h。LR1R3R2R4xFhb等強(qiáng)度梁彈性元件b0R4力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對(duì)L方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。接橋：全橋輸出：應(yīng)用：臺(tái)秤(電子秤)

R3R2R1R4EACDIgBUg

應(yīng)變式稱重儀表原理4-2動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀便攜式應(yīng)變儀電阻應(yīng)變片的電阻變化很小，進(jìn)行傳輸和記錄都存在許多不便之處，因此需要對(duì)應(yīng)變片的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)理，用于完成這一任務(wù)的儀器稱應(yīng)變儀。分類：按被測(cè)應(yīng)變的變化頻率及相應(yīng)的電阻應(yīng)變儀的工作頻率范圍可分為：靜態(tài)應(yīng)變儀：應(yīng)變信號(hào)變化十分緩慢或變化一次后相對(duì)穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀:測(cè)量的工作頻率可達(dá)0～2000Hz,個(gè)別可達(dá)10kHz；超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀:工作頻率高于10kHz的應(yīng)變儀稱超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。按放大器工作原理可分為直流放大和交流放大兩類。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理測(cè)量物體在應(yīng)力作用下發(fā)生變化的儀器。應(yīng)變儀廣泛應(yīng)用于材料的力學(xué)性能檢測(cè)中，例如測(cè)定材料拉伸模量，就是用所加負(fù)荷和同時(shí)由貼在試件表面的應(yīng)變片測(cè)出的應(yīng)變值經(jīng)計(jì)算而得。單模塊通道數(shù)：8個(gè)模擬輸入通道

最大采樣率：640KS/s/機(jī)箱

采樣模式：多通道同步采樣

ADC分辨率：24位

ADC類型：（帶模擬預(yù)濾波）

支持應(yīng)變式傳感器電阻值：120Ω

支持惠斯通電橋類型：1/4橋

精度增益誤差：0.02%

全量程范圍：±29.4mV/V（+62500με/-55500με）

端子間過壓保護(hù)：±30V

穩(wěn)定性：增益漂移6ppm/℃

數(shù)字濾波器：用戶自定義低通濾波

機(jī)箱接口類型：USB2.0高速輸入

供電電源：11到30VDC，220VAC

工作溫度：-40℃～70℃，工作濕度：10%～90%RH，無凝結(jié)

廣州章和電氣—機(jī)箱式應(yīng)力信號(hào)采集儀4-2-1測(cè)量電橋電橋是將電阻R、電感L、電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷害或電流Δi信號(hào)后輸出的一種測(cè)量電路。

按激勵(lì)電壓分:供橋電源電壓是直流電壓時(shí)，稱直流電橋；供橋電源電壓為交流電壓時(shí)，稱交流電橋。一、直流電橋

(惠斯登電橋)R1，R2，R3，R4應(yīng)變片或固定電阻AC——供橋電壓端BD——輸出端(U0)（一般視為開路）Rg——負(fù)載電阻U0

C

R1

R2

R3

R4

Rg

BADUi（一）直流電橋的平衡條件由上式可見：若R1R3=R2R4，則輸出電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。直流電橋的平衡條件為：R1R3=R2R4

R1/R2=R4/R3（對(duì)臂電阻的乘積相等，或鄰臂電阻的比值相等）Ui（二）、電橋的輸出1、半橋單臂以橋臂電阻R1作為工作臂，如圖4-1。設(shè)R2=R3=R4=R，R1=R+ΔR，其中R為一常數(shù)，則輸出電壓+△R等臂電橋：R1=R2=R3=R4=R若R2有微小增量△R，則輸出為？Ui2、半橋雙臂兩個(gè)鄰邊橋臂有相同的微電阻變化，如電阻R1有變化R+ΔR，R2有變化R-ΔR，可導(dǎo)出公式：3、全橋四個(gè)橋臂均有相同的微電阻變化，且電阻變化以差動(dòng)方式增大或減小，滿足以下關(guān)系：

R1=R2=R3=R4=RΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR

其輸出電壓為+△R-△R-△R+△RUi全等臂電橋的輸出若橋臂R1、R2、R3、R4，分別有電阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4,若電橋初始是平衡的，即R1R3=R2R4，略去ΔR/R的平方項(xiàng)，則:當(dāng)采用相同的應(yīng)變片，靈敏度系數(shù)均為K(ΔR/R=kε),則上式可寫成：若采用等臂電橋，即R1＝R2＝R3＝R4＝R,則上式可寫成：討論:電橋的和差特性當(dāng)電橋初始是平衡的，即R1R3=R2R4，略去ΔR/R的平方項(xiàng)，則若采用等臂電橋，即R1＝R2＝R3＝R4＝R,則上式可寫成：可見，兩對(duì)臂電阻的變化對(duì)整個(gè)電橋輸出電壓的影響，是“求和”關(guān)系。兩鄰臂電阻的變化對(duì)整個(gè)電橋輸出電壓的影響，是“求差”關(guān)系。這就是電橋的和差特性。鄰臂相減，對(duì)臂相加。Ui+--+電橋的和差特性可具體的描述為：1)相減特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)一致時(shí)，或者相對(duì)兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相反時(shí)，對(duì)橋路的輸出電壓沒影響。2)相加特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相反時(shí)，或者相對(duì)兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相同時(shí)，橋路的輸出電壓是半橋單臂的二倍，電橋的靈敏度是半橋單臂的二倍。3)倍增特性：相鄰兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相反時(shí)，同時(shí)相對(duì)兩橋臂上應(yīng)變片阻值的變化大小相等、符號(hào)相同時(shí)，橋路的輸出電壓是半橋單臂的四倍，電橋的靈敏度是半橋單臂的四倍。電橋的和差特性在實(shí)際應(yīng)用中例子：接入電橋的相鄰兩臂，可以提高靈敏度，抑制溫度漂移。題解：（1）貼片：如圖(R1：εF

R2：-εF)（2）接橋:鄰臂（3）輸出：-△R+△RR1R2Ui根據(jù)測(cè)量電橋的特性，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)需注意：1)全橋四臂或半橋雙臂上應(yīng)變片的初始阻值應(yīng)相等，靈敏系數(shù)應(yīng)一致。2)應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)與應(yīng)變片的靈敏系數(shù)保持一致(通過調(diào)節(jié)應(yīng)變儀上的靈敏系數(shù)旋紐來保證)。3)測(cè)量橋路所有應(yīng)變片的引線長(zhǎng)度應(yīng)相等，引線直徑應(yīng)相同。4)測(cè)量中，應(yīng)設(shè)法采用電橋相鄰臂兩應(yīng)變片有差動(dòng)變化的接橋方案，這時(shí)靈敏度高、線性好，且具有溫度補(bǔ)償作用。同理，當(dāng)四臂工作時(shí)，四臂間有差動(dòng)變化時(shí)．電橋線性好且靈敏度高。二、交流電橋交流電橋的平衡條件

交流電橋采用交流電壓供電，四個(gè)橋臂可以是電感L、電容C或者電阻R，均用阻抗符號(hào)Z表示。根據(jù)對(duì)直流電橋的討論可以寫出DA B C Z1 Z2

Z3 Z4

u0u

i=Umsint

u

i=Umsint

A C

D

u

R1 R2

R3R4 C1

C2 B

當(dāng)Z1Z3-Z2Z4=0時(shí)，達(dá)到平衡，這時(shí)有Z1Z3=Z2Z4

；Z是復(fù)數(shù)，可以寫成Z=|Z|ejφ交流電橋的平衡條件：

|Z1||Z3|ej（φ1+φ3）=|Z2||Z4|ej（φ2+φ4）可以表示為

|Z1||Z3|=|Z2||Z4|———幅值平衡條件

φ1+φ3=φ2+φ4———相位平衡條件

電橋平衡2、討論：（1）若電橋中有一對(duì)相鄰橋臂為電阻，根據(jù)平衡條件，其余二橋臂一定為同類的阻抗，同是容抗或者同是感抗。（2）若電橋中有二對(duì)邊橋臂為電阻，根據(jù)平衡條件，其余二橋臂一定具有異類的阻抗，如果這邊是容抗，其對(duì)邊應(yīng)為感抗。（3）如果四個(gè)橋臂均為電阻時(shí)，φ1=φ3=φ2=φ4=0，如果忽略其它因素影響，交流電橋的平衡條件與直流電橋是完全一樣的。交流電橋與直流電橋的異同①它們的電路結(jié)構(gòu)形式相同。②兩者都具有和差特性。③交流電橋供橋電源為高頻交流電源，而直流電橋?yàn)橹绷髟?。④交流電橋的橋臂可以是純電阻，但也可以是含有電容、電感的交流阻抗；而直流電橋的橋臂是純電阻?-1-2

調(diào)制與解調(diào)被測(cè)物理量，如溫度、位移、力等參數(shù)，經(jīng)過傳感器變換以后，多為低頻緩變的微弱信號(hào)，無法直接推動(dòng)表頭輸出，故需要放大信號(hào)；低頻緩變信號(hào)及直流信號(hào)使用直流放大器，但其利用直接耦合的方法，存在嚴(yán)重的漂移問題。當(dāng)采用交流放大時(shí)，需要先把直流及緩變信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)，即予以調(diào)制；常用術(shù)語調(diào)制：用低頻緩變信號(hào)控制或改變高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、相位或頻率)的過程。

調(diào)制波——控制或改變高頻振蕩信號(hào)的低頻緩變信號(hào)稱之為調(diào)制波。載波——載送低頻緩變信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。

已調(diào)波——經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩波即為已調(diào)波。

解調(diào)則是對(duì)已調(diào)波進(jìn)行處理，以恢復(fù)原低頻緩變信號(hào)的大小和極性。

根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)的不同，調(diào)制可分為調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。使載波的幅值、頻率或相位隨調(diào)制信號(hào)而變化的過程分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。它們的已調(diào)波也就分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波。圖表示了載波、調(diào)制波、調(diào)幅波和調(diào)頻波。調(diào)幅及其解調(diào)定義：調(diào)幅是將一個(gè)高頻振蕩信號(hào)(載波)與測(cè)試信號(hào)(調(diào)制信號(hào))相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。u(t)VoR1R3R2R4x(t)ux(t)電橋調(diào)幅電橋輸出為：ux=Ax(t)u(t)式中A—是與組橋方式有關(guān)的系數(shù)。半橋雙臂時(shí)A=1/4；半橋雙臂時(shí)A=1/2；全橋時(shí)A=1。x(t)—隨時(shí)間而變化的被測(cè)量，

【x(t)=△R/R)】。當(dāng)被測(cè)量變化引起應(yīng)變的變化時(shí)，即引起電阻的相對(duì)變化。u(t)—供橋電源電壓，它相當(dāng)于載波。假設(shè)供橋電源為一正弦交流電壓

u(t)=usinωt

則：ux(t)=Ax(t)usinωt假如調(diào)制信號(hào)x(t)也是一個(gè)正弦變化量，χ(t)=χ0sinω0t，則ux(t)=Ax0usinω0tsinωt調(diào)幅波的特點(diǎn)：1)當(dāng)x(t)＞0時(shí)，ux(t)與u(t)極性相同。即調(diào)幅波與載波同頗同相；而調(diào)幅波幅值的大小與x(t)的大小有關(guān)。2)當(dāng)x(t)<0時(shí)，ux(t)與u(t)極性相反。即調(diào)幅波與載波同頻反相；而據(jù)幅波幅值的大小仍與x(t)的大小有關(guān)。

3)調(diào)幅波是一高頻信號(hào)、但其包絡(luò)線和調(diào)制信號(hào)相似、其幅值受x(t)變化的影響。載波的頻率越高。即波形越密，則近似程度越好。調(diào)幅電路相當(dāng)于乘法器整流檢波解調(diào)

若把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量A，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀。把該調(diào)幅波xm(t)簡(jiǎn)單地整流(半波或全波整流)、濾波就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。如果原調(diào)制信號(hào)中有直流分量，則在整流以后應(yīng)準(zhǔn)確地減去所加的偏置電壓。

若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都在零線的一側(cè)，則對(duì)調(diào)幅波只是簡(jiǎn)單地整流就不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。相敏檢波技術(shù)就是為了解決這一問題。相敏檢波解調(diào)相敏檢波解調(diào)方法能夠使已調(diào)幅的信號(hào)在幅值和極性上完整地恢復(fù)成原調(diào)制信號(hào)。與整流檢波的區(qū)別：不需要加直流偏置。半波相敏檢波和全波相敏檢波為了使相敏檢波器正常工作，其參考電壓yt與測(cè)量信號(hào)電壓xm應(yīng)滿足下列三個(gè)條件:頻率條件：頻率必須嚴(yán)格相同；幅值條件：y(t)>>xm(t)，至少五倍以上，也就是說二極管的導(dǎo)通與截止由參考電壓y(t)決定；相位條件：最好是同相或反相。這一點(diǎn)若不能遵守，相敏檢波器仍能工作，但將導(dǎo)致靈敏度下降。全相敏檢波電路原理圖VD1,VD2,VD3,VD4:特性相同的二極管T1,T2:變壓器;e,f為其中間抽頭y（t）0txm（t）0tx（t）0tt1t2由上面分析可看出，當(dāng)xm和y同相時(shí)（都不為零)，相敏檢波器的輸出電壓uf>0；當(dāng)xm和y反相時(shí)（都不為零)，相敏檢波器的輸出電壓uf<0。相敏檢波器的輸出電壓波形為：y(t)xm(t)uf(t)4-2-3濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試中利用濾波器的這種選頻作用，可濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀中通過相敏檢波電路后，需要進(jìn)行濾波才能還原原信號(hào)的頻率。

根據(jù)濾波器的選頻作用，一般分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。

低通濾波器

低通濾波器從0一f2頻率之間為其通頻帶，幅頻特性平直。它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。低通一階RC低通濾波器原理

RC低通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖所示。設(shè)濾波器的輸入信號(hào)電壓ux，輸出信號(hào)電壓為uy，電路的微分方程式為令τ＝RC，稱時(shí)間常數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，可得傳遞函數(shù)這是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀可作為電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓(一般頻率為10kHz或15kHz)。被測(cè)量(應(yīng)變)通過電阻應(yīng)變片調(diào)制電橋輸出。電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波取出所測(cè)信號(hào)。零部件的受力情況復(fù)雜；正確的貼片和接橋———準(zhǔn)確的測(cè)力；電橋輸出：為應(yīng)變儀的輸出，為儀器比例系數(shù)，通過調(diào)節(jié)可使4-3典型力參量測(cè)試的貼片和接橋方法一、拉彎聯(lián)合作用下彎矩或拉力的測(cè)量桿件受拉力P和彎矩M聯(lián)合作用，在彈性范圍內(nèi)工作，P、M的聯(lián)合作用可看成是P、M單獨(dú)作用的疊加。桿件在P、M單獨(dú)作用下其上下表面的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

A——桿件的截面積；

W——桿件的抗彎截面系數(shù)

E——被測(cè)件材料的彈性模量應(yīng)變分析：根據(jù)疊加原理，桿件在P、M聯(lián)合作用下，其上表面和下表面的應(yīng)變?yōu)椋?、彎矩M的測(cè)量測(cè)彎矩的貼片與接橋如圖所示，R1=R2=R，電阻增量△R0：相對(duì)電阻的增量為：儀器的應(yīng)變讀數(shù)為：具有溫度補(bǔ)償功能2、拉力P的測(cè)量溫度補(bǔ)償需在補(bǔ)償板上另貼兩片月R2’、R2”串聯(lián)組成補(bǔ)償橋臂二、切力的測(cè)量

如圖6—6所示，桿件受Q、M、P的聯(lián)合作用，要測(cè)切力Q、必須消除M、P的影響。分析貼片和接橋方法。

接橋方法其電阻計(jì)算增量為：

式中εQ1、εQ2—桿件在貼片處由Q力所引起的應(yīng)變。

儀器的讀數(shù)為：

可見，只要按圖6—6所示的方法貼片與接橋，儀器讀數(shù)就僅與切力Q有關(guān)，而與M、P無關(guān)。應(yīng)變儀的讀數(shù)值就是切力Q在兩截面處引起的應(yīng)變值的差值，切力與儀器讀數(shù)的關(guān)系為圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。柱式力傳感器-ε2+ε1截面積SFFF面積S-ε1+ε2b）a）在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的α方向，三、其他測(cè)量實(shí)例1

、應(yīng)變式力傳感器ε1——沿軸向的應(yīng)變；μ——彈性元件的泊松比。當(dāng)α=0時(shí)當(dāng)α=90?時(shí)E：彈性元件的楊氏模量其應(yīng)變?yōu)椋篠：彈性元件的截面積2、梁式力傳感器等截面梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高適合于測(cè)5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁b0R1R2XlFbh②等強(qiáng)度懸臂梁3、薄壁圓環(huán)式力傳感器在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。

試件Rtt＋△t，RR＋△

Rt

βg：電阻絲材料的線長(zhǎng)系數(shù)

βm：試件材料的線長(zhǎng)系數(shù)α:電阻絲的溫度系數(shù)四、力測(cè)量中溫度的影響及溫度補(bǔ)償

1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△t時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為α，則引起的電阻相對(duì)變化為2、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)