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应变片知识之测量原理讲座

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:7999 发布时间:2017-7-13 QC检测仪器网

应力/应变的测量通常通过使用应变片进行的。应变片是变阻式传感器的一种,其感应的基本原理是电阻片受到机械应力作用时,其电阻值会随器件的应变成比例变化。正是由于金属应变片的电阻变化与其应变之间近似存在便利的线性关系,应变片在车辆上的应用变得非常广泛。

图1 应变片结构

金属应变片的敏感元件是一条极细的金属丝,测量时应变片贴于被测物体上,上篇文章《应变片知识之安装应变片》进行了详细的应变片安装介绍,当被测体压缩和拉伸时,应变片将产生与贴片区域相同的变形,从而引起电阻的线性变化。工程中常用的应变片的电阻值为120Ω和350Ω。应变灵敏度是应变片的一个基本参数,灵敏度可用应变系数来描述即是指电阻的变化率与长度变化率的比值:

图2 应变系数

这个系数是很重要的,通常在我们购买的应变片包装上写着,反映的是应变片生产线上批次生产的应变片平均的灵敏程度,这个包装盒上注明的的应变片的灵敏度是这个盒子里众多应变片的平均水平,我们在使用的时候可以直接将这个数值抄写在数据采集器的软件里。

应变的测量是通过直流惠斯通电桥(多个电阻连接成电路)将应变片贴在车辆结构上,贴片位置变形而引起的阻值变化转换为电压信号,直流电桥的基本形式如下图所示:

图3 惠斯通电桥

在直流电桥中,四个桥臂上的任何一个臂上发生阻值的变化都会引起最后输出电压的变化,而且输出电压的变化近似与阻值变化量呈线性关系。我们在车辆结构上测量应变正是利用了这个方便使用的线性的关系。在我们的实际测量中,我们粘贴的应变片来就表示上图中电桥中的一个或几个桥臂上的电阻,另外的电阻就在我们使用的数据采集器对应通道里。实际的电桥中的桥臂电阻就有两类:一种就是我们粘贴的应变片,另一种则是数据采集器内部的标准电阻,通常为120欧姆和350欧姆,应该不是应变片的样子,虽然没有打开数据采集器看过。

我们可以仔细观察如下图:

图4 应变片与数采内部组成的桥路

这是一个典型的桥路结构,一个电源和两路电阻分支,这样我们可以简单的求解任意两个电阻的电压,当然如果我们拿着万用表可以测量任意两点之间的电势差。

由于公式比较简单,这里进行简单描述:

这里电桥平衡的条件就是R1XR3=R2XR4.

输出电压与各桥臂阻值变化之间的关系可近似为:

从上面的近似公式我们可以得到如下结论:

1.相邻两个桥臂(如图中的R1 和R2)电阻的变化所产生的输出电压为该两个桥臂各阻值变化产生的输出电压之差;

2.相对两个桥臂(如图中的R1 和R3)电阻的变化所产生的输出电压为该两个桥臂各阻值变化产生的输出电压之和;

实际车辆结构应变测量电桥中,一个电桥中应变片的个数通常为1 个,2个或4 个,其对应的电桥形式分别为:1/4 桥(半桥单臂)、半桥(半桥双臂)和全桥。

图5 1/4桥

图6 半桥桥路

图7 全桥桥路

还有一种桥路形式,也称之为半桥,属于对边电阻变成应变片,这种形式的半桥不能直接连入数据采集器,目前不清楚为什么很多数采不直接支持这种连接,往往需要额外增加两个应变片作为电阻使用,这样也是个全桥桥路,只是一种一组对边是应变片,另一组对边也是应变片,但是在实际测量中这组应变片不产生任何变形,仅仅是电阻目的。

剩下就是温度对桥路的影响,因为应变片贴在待测件的表面的话,如果待测件由于内部或者外部的原因而温度升高,那么粘贴在上面的应变片也会随着温度的升高而发生电阻变化,但是这种电阻变化不是我们想要的,因为这部分不是真正的反应样件表面变形。测试的环境温度常常通过多种方式对应变测量电桥产生影响,从而使测试结果产生误差。主要有两种方式可以避免温度的误差影响,一种有效的减小该影响程度的方法就是通过敏感材料与基底材料的温度特性的匹配实现温度自补偿,这种方法虽然不能完全去除温度对应变片阻值的影响,但在较小的温度范围内,一般可以满足工程应用的需要,这就要求我们购买温度自补偿的应变片,具体详细的自补偿原理也没必要从每个细节上整明白,应变片厂家肯定是专家的,车辆厂的测试人员在这方面是不如他们的。另一种温度补偿的方法是采用平衡应变桥路的方案,即将应变片相邻桥臂的那个应变片处在与待测应变片相同温度场中,则根据电桥输出电压的和差规律,可以实现温度的补偿,但这种方法需要在测点附近找到一处具有相同温度区域,贴上一个较薄的金属片,然后在这个金属片上贴上感受温度的应变片,这种情况下,这个薄的金属片由于是粘在上面而不产生任何变形,仅仅传递温度变化给这个应变片。

还有一种情况是,应变测量点有时候跟数据采集器之间有较长的距离,这时候应变片桥臂上的导线电阻在其桥臂电阻中占有一小部分的比例,当导线所处的环境温度发生变化时,则会引起该桥臂上的电阻发生一定的变化,从而是相当于对应的应变片电阻值发生变化而影响测量结果,为减小其影响,一般的做法是将相邻桥臂上的导线也引出来,与应变片桥臂的引线具有相等的长度并处于同样的外界温度环境中。

本篇文章介绍了应变测量的基本原理,非常适合初学者学习,也适合有经验者回顾应变测量知识,清楚了应变片的测量原理后,以后的应变应力等载荷测量工作就会游刃有余。

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