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应变片的工作原理
2021-03-04
将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... 应变片就是应用这个原理,通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金,其电阻变化率为常数,与应变成正比例关系。

将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。应变片就是应用这个原理,通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金,其电阻变化率为常数,与应变成正比例关系。

即                     ΔR/R= K×ε

在这里 R:应变片的原电阻值Ω

ΔR:伸长或压缩所引起的电阻变化Ω

K:比例常数(应变片常数)

ε:应变

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。但是由于应变是相当微小的变化,所以产生的电阻变化也是极其微小的。例如我们来计算1000×10−6的应变产生的电阻的变化。应变片的电阻值一般来说是120 欧姆,即

ΔR/120=2×1000×10-6

ΔR=120×2×1000×10−6= 0.24Ω

电阻变化率为                                 ;                               ΔR/R=0.24/120=0.002→0.2%

要精确地测量这么微小的电阻变化是非常困难的,一般的电阻计无法达到要求。为了对这种微小电阻变化进行测量,我们使用带有韦斯通电桥回路的专用应变测量仪。应变片本身的追随能力可以达到数百kHz,通过组合的测定装置可以对冲击现象进行测量。行驶中的车辆,飞行中的飞机等各部位的变动应力可以通过应变片和测定装置进行初步的测量。


测量电路:惠斯通电桥

惠斯通电桥适用于检测电阻的微小变化,应变片的电阻变化也可以用这个电路来测量。如图5 所示,惠斯通电桥由四个电阻组合而成。

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                                                       图5                                         ;                                               6

如果            R1 =R2 =R3 =R4    或   R1×R2 =R3×R4

则无论输入多大电压,输出电压e总为0,这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏,就会产生与电阻变化相对应的输出电压。如图6 所示,将这个电路中的R1 用应变片相连,有应变产生时,记应变片电阻的变化量为ΔR,则输出电压e的计算公式如下所示。

e=(1/4)*(ΔR/R)*E  ; 即  e =(1/4)*K*ε*E

上式中除了ε 均为已知量,所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出应变的大小。上例电路中只联入了一枚应变片,所以称为单一应变片法(1/4桥)。除此之外,还有双应变片半桥法及四应变片全桥法。

如图7 所示,在电桥中联入了四枚应变片(全桥)。四应变片法是桥路的四边全部联入应变片,在一般的应变测量中不经常使用,但常用于应变片式的变换器中。如图7 所示,当四条边上的应变片的电阻分别引起如R1+ΔR1,R2+ΔR2,R3+ΔR3,R4+ΔR4 的变化时

若四枚应变片完全相同,比例常数为K,且应变分别为ε1,ε2,ε3,ε4。则上面的式子可写成下面的形式。

    也就是说,应变测量时,邻臂上的应变相减,对臂上的应变相加。

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                                                          图7                                                                                      图8

如图8所示,四边的电阻中只有R1用应变片相连时,所以输出电压可写成:

e=(1/ 4)*(ΔR1/R1)*E   即  e =(1/4)*K*ε*E

    一般的应变测量大部分都使用单应变片法。

如图9所示,在电桥中联入了两枚应变片,共有两种联入方法,即半桥邻边法(a)和半桥对边法(b)。四条边中有两条边的电阻发生变化,根据上面的四应变片法的输出电压式可得,

联入方式如图9(a)所示时,

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联入方式如图9(b)所示时,

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也就是说当联入两枚应变片时,根据联入方式的不同,两枚应变片上产生的应变或加或减。

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图9 半桥:(a)邻边和(b)对边

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