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直流电桥电阻应变片式力测量系统原理及配置方案作者：冯国涛来源：《中国科技博览》2018年第29期[摘要]厂机械以及零部件使用过程中必然会发生应力应变变化，对其这种变化的精确测量时设备使用的基础，电阻式应变片是测量应变的一种较为简易的装置，其测量值经过直流电桥电路，放大器，A/D转化器便可以实现测量从而实现对机械设备的监控。
[关键词]应变片电阻直流电桥放大器 A/D转化器中图分类号：S462 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）29-0031-01引言应变的测量线路一般采用电桥来完成，工程测量中，测量电桥有直流电桥和交流电桥两种接法。
由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的应变片阻值的变化测量出来。
在电桥后面必须接专门的放大电路。
由于直流放大器容易产生温漂，因此长期以来，应变测量电桥多采用交流电桥。
但交流电桥结构相对复杂，而采用可变增益放大器构成的直流电桥测量线路结构简单，可靠性高同时具有非常高的共模抑制比，从而很好地解决了直流电桥的温漂问题。
本文就应变一系列问题进行探讨与解决。
一、应变片工作原理以及型号选择电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料或者金属材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
应变片材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
应变片有很多种类。
一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。
电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。
将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。
Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显着与否。
目录电阻应变测量原理及方法 (2)1.概述 (2)2.电阻应变片的工作原理、构造和分类 (2)2.1电阻应变片的工作原理 (2)2.2电阻应变片的构造 (4)2.3电阻应变片的分类 (4)3.电阻应变片的工作特性及标定 (6)3.1电阻应变片的工作特性 (6)3.2电阻应变片工作特性的标定 (10)4.电阻应变片的选择、安装和防护 (12)4.1电阻应变片的选择 (12)4.2电阻应变片的安装 (13)4.3电阻应变片的防护 (14)5.电阻应变片的测量电路 (14)5.1直流电桥 (15)5.2电桥的平衡 (17)5.3测量电桥的基本特性 (18)5.4测量电桥的连接与测量灵敏度 (19)6.电阻应变仪 (24)6.1静态电阻应变仪 (24)6.2测量通道的切换 (26)6.3公共补偿接线方法 (27)7.应变- 应力换算关系 (28)7.1单向应力状态 (28)7.2已知主应力方向的二向应力状态 (29)7.3未知主应力方向的二向应力状态 (29)8.测量电桥的应用 (31)8.1拉压应变的测定 (31)8.2弯曲应变的测定 (34)8.3弯曲切应力的测定 (35)8.4扭转切应力的测定 (36)8.5内力分量的测定 (37)电阻应变测量原理及方法1.概述电阻应变测量方法是实验应力分析方法中应用最为广泛的一种方法。
该方法是用应变敏感元件——电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变—应力关系得到构件表面的应力状态，从而对构件进行应力分析。
电阻应变片（简称应变片）测量应变的大致过程如下：将应变片粘贴或安装在被测构件表面，然后接入测量电路（电桥或电位计式线路），随着构件受力变形，应变片的敏感栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由指示仪表或记录仪器指示或记录。
这是一种将机械应变量转换成电量的方法，其转换过程如图 1 所示。
一、直流电桥的输出电压•应变片或电阻元件作为电桥桥臂。
•多种形式选择：R 1；R 1和R 2；R 1 -R 4，其余为精密无感电阻。
•A 、C 为电桥的输入端，B 、D 为电桥的1. 直流电桥的基本结构输出端。
•E 为直流源。
2. 电压桥（1）什么是电压桥•应变片通常后接放大电路为高输入阻抗。
•测量端通常工作在小电流状态，主要是电位差起作用。
•近似认为输出端开路，是为电压桥。
（2）电压桥的输出电压及平衡条件设E 恒定，分支电流为1,212EI R R =+3,434EI R R =+R 1、R 4的电压降为1AB A B ER U U U =-=12R R +434AD A D ER U U U R R =-=+则B 、D 间的电位差U 为14123413241234()()()D B AB AD R R U U U U U ER R R R R R R R ER R R R =-=-=-++-=++3. 电桥负载为有限值时的情形依据等效电源原理（戴维南定理）13241234()()R R R R U ER R R R -=++等效电压源电源内阻U RR LB DI L U L 123401234R R R RR R R R R =+++输出电流（负载电流）0L L UI R R =+P 1P补偿片与工作片分别安装在构件上、下表面并平行测量受弯、拉组合载荷梁的梁的表面弯曲应变。
2112,M P P εεε=-=弹性元件受到偏心压力，欲测量仅由压力引起的构件表面应变。
12,P P P εε==313, P P M εμεεμε=-=-)])]2121T r EM πεμ=+枚应变片，沿圆轴母线±45︒角对称布置，采用全桥接法234T T T M M M εε==-=34P P Pεεε===3444)()]T M M P M εεε-++需要考虑测量导线和应变片分布电容的影响。
电阻应变片粘贴技术及测量电桥连接方发实验报告模板'篇一：电阻应变片粘贴与电桥电路实验一电阻应变片的粘贴技术与电桥电路学院：土木工程班级：小组成员：指导老师:实验报告（一）电阻应变片的粘贴技术与电桥电路一、实验目的:1．初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术；2．为后续电测实验做好在试件上粘贴应变片，接线、检查等准备工作。
3.比较全桥，半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
二、实验设备和器材:1、常温用电阻应变片，电阻应变花。
2、万用表（测量应变片电阻值等用）。
3、兆欧表（测量应变片绝缘电阻用）。
4、等强度梁试件，同质温度补偿块。
5、电烙铁，镊子，锉刀，502粘接剂等工具。
6、丙酮，脱酯棉等清洗器材。
7、测量导线，接线端子若干。
三、电阻应变片的工作原理:1、电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。
2、当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短），因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小）。
三、电桥电路工作原理:1、把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出有较高灵敏度和较好的非线性，当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压KUUBDAC =4(?1??2)。
（U均为电桥供电电压）。
2、全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始值：R1=R2=R3=R4，其变化值△R1=△R2=△R3=△R4时，其桥路输KUAC出电压△UBD=4(?1??2??3??4)。
3、 1/4桥电路，用于量测应力场里的单个应变，即只有R1变化，而R2、R3KUAC和R4不变化，则UBD=4?11/4桥电路四、温度补偿和温度补偿片贴有应变片的构件总是处于某一温度场中，当温度变化时，应变片敏感栅的电阻会发生变化。
另外，由于电阻丝栅的线膨胀系数与构件的线膨胀系数不一定相同，温度改变时，应变片也会产生附加应变。
应变片式电阻传感器的测量电路电阻应变计可把机械量转变转换成电阻转变，但电阻转变量一样很小，用一般的电子仪表很难直接检测出来。
例如，常规金属应变计的灵敏系数k 值一样在1.8~4.8之间，机械应变ε在10~6000με之间，那么电阻相对转变量/R R k ε∆=就很小。
例1设某被测试件在额定负载下产生的应变成1000με，粘贴的应变计阻值为120R =Ω，灵敏系数为2k =，那么其电阻的相对转变（电阻转变率）为6/21000100.002R R k ε-∆==⨯⨯=可见，电阻转变率仅为0.2%，如此小的电阻转变，必需用专门的电路才能测量。
测量电路把微弱的电阻转变转换为电压的转变，电桥电路确实是实现这种转换的电路之一。
一 直流电桥1 直流电桥平稳条件图 直流电桥直流电桥电路如图（a ）所示，不接负载电阻L R 时的开路电压为()()314231012341234R R R R R R U U U R R R R R R R R ⎛⎫-=-= ⎪++++⎝⎭ 由戴维宁定理，任何复杂的二端网络都能够化成一个等效的实际电压源，其电动势为该网络开路电压，其内阻为该网络的输出电阻。
可将电桥看成一个实际电压源，其内阻为1234////R R R R +，其电动势为0U 。
接入负载L R 后，流过负载电阻的电流为1234////L LU I R R R R R =++()()()()1423123412343412L R R R R U R R R R R R R R R R R R R -=++++++所有电桥在利用前都用调平稳，使得0L I =。
如此取得电桥平稳条件为1423R R R R =（或1234//R R R R =）即相对两臂电阻的乘积相等（或相邻两臂电阻的比值相等）。
2 直流电桥的电压灵敏度电阻应变片工作时的电阻转变很小，相应的电桥输出电压也很小，必需要对电压进一步放大，故需了解/R R ∆与输出电压之间的关系。
在复杂的机械系统中，研究其功耗和性能，设计它们的结构以及研究各模块组间的润滑状态，测量各器件间的摩擦力等重要参数，多年来，一直被人们所重视。
由于机械内部运动复杂，环境恶劣，摩擦力相对很小，给测量带来了很大困难，如何精确地测量出这些数据就显得格外重要。
采用立创无线收发方式，利用传感器信号通过无线收发电路进行信号传输，可以先存储数据再把存储卡里面的数据读入到计算机进行分析，为复杂及数据要求精确的系统的数据采集提供了新的方法。
另外，在采集频率较高时，数据量比较大，这对采集系统中处理器处理速度、射频无线传输速度、接口传输速度、A/D 转换速度以及功耗等都有很高的要求，加上机械系统内部尺寸的限制，困难较大。
这样一来，数据采集电路板的设计成为该数据采集系统的关键，我们需要设计专门的数据采集和无线收发装置。
测量系统原理
系统由传感器、电源、信号调理电路、信号处理电路和PC 机组成在实际测量时，传感器安装在运动件上，由于采用引线装置传递信号会限制机械部件的运动，因此可采用无线收发电路传输数据，也可采用存储方式进行数据采集，即先把数据保存到存储卡，数据采集完之后再拿出存储卡读入到计算机，测量系统原理如图1 所示。
气压传感器和应变片经过信号调理电路输出0～2.5V 的电压，可通过信号处理电路把模拟信号转化为数字信号再存入存储卡，热电偶经过信号调理电路输出12 位SPI 格式的数字信号，可由单片机直接把信号存入存储卡。
存储卡的容量应能保证采集信号的时间要求（在采集频率为3000Hz 时，选择512M以上的存储卡可保证采集时间不少于25 分钟）。
而该测量系统中电阻应变片直流电桥测量电路的设计是一个关键，下面我们将对这一部分进行详细的分析和设计。
电阻应变片直流电桥测量电路
应变片调理电路由升压芯片（为芯片提供工作电压）、电压基准（稳压）、电桥、滤波、放大等部分组成，如图2 所示。
测量电路所选用应变片型号350-2AA，应变灵敏系数K=2.18（无量纲正数），名义电阻350Ω，丝栅尺寸：2×2mm；考虑到连杆体上空间小的特点，尽可能安装少量的传感器，因此采用直流单臂电桥来实现电阻到电压的转换。
至此，无线收发数据采集系统中的电阻应变片直流电桥测量电路的设计已经完成，当然，在我们设计数据采集系统时，根据实际的测量需要，如系统运行的环境受到温度、频率及其他一些环境的影响，各测量参数的不同，导致数据采集系统也不完全相同，设计者可根据需要进行修改。
本文重点研究的是无线数据采集系统中应变片直流电桥的设计，为复杂的机械控制系统在进行难度较大的数据采集时，提出可行的应变片直流电桥设计方案。
