实验力学盖秉政第5章应变仪

1．直流放大式静态应变仪 直流放大式静态应变仪的基本组成部分有：测量电桥、直流放大
器，A／D转换器、数字显示器、直流电源。其方框图如图5-3所示。
测量电桥
直流放大器
A／D转换器
数字显示器
直流电源
图5-3 直流放大式静态应变仪的基本组成
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理论力学
一、静态电阻应变仪的工作原理
理论力学
（1）测量电桥 测量电桥是电阻应变仪的重要组成部分，它将应变片微小的电阻变
为半桥接法。在半桥接法中，设电阻应变片受力变形后电阻改变量为
△Rl、△R2，而R3和R4电阻不变，则有
仪 1 2
(5-4)
p.5
理论力学
二、交流电桥
理论力学
如图5-2所示，图中C1、 C2为电 阻应变片本身及连接导线的分布 电容。对于半桥接法，R3和R4为 应变仪内部精密无感电阻，可看 作是纯阻性的，由电桥平衡条件
（4）低通滤波器 低通滤波器的作用是将由相敏检波器输出信号中的高频载波成分滤
掉，使放大后的信号与原应变形状相同。
（5）输出电路 动态应变仪将信号输出给记录仪器，各类记录仪器的输入阻抗不
同，如光线示波仪为低阻抗，而磁带记录仪为高阻抗，因此，要求电 阻应变仪有两种输出电路以满足不同记录仪器的要求。Y6D－3A只有一 种低阻的输出电路，而YD－5有两种输出电路，扩大了应变仪的使用范 围。
的是随时间变化的应变波形图，为了便于在应变波形图上确定所测应变值的
大小，一般会在动态应变仪内设置应变标定装置，由此装置给出代表一定标
准应变的信号，即将其作为读波形图的比例尺。应变标定电路有多种，在
Y6D－3A及YD－15动态应变仪中采用的是专用应变标定电桥，如图5-6所示。
标定电桥是由 一系列精密线绕电 阻组成，改变标定 电桥的桥臂电阻值， 即产生相应数值的 正（或负）的标准 应变，通过转换开 关K，在应变测量 前或测量后，将标 定的信号接入放大 器给出一个标准应 变信号，以进行应 变标定。
（1）测量电桥
动态电阻应变
仪的测量电桥
为交流电桥，
其原理功能和
静态应变仪相
同。测量电桥A、
B、C、D 四个 结点及R3、R4
两个桥臂电阻
装在一个电桥
盒上，用一定
长度的屏蔽电
缆线与应变仪 相连。
图5-5 动态应变仪方框图
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理论力学
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（2）动态应变仪测量的动态应变是随时间变化的，通过记录仪器得到
压。同时也为相敏检波器提供参考电压。静态电阻应变仪振荡器的频率为 几百赫兹。
（7）稳压电源 它能供给振荡器和交流放大器一定电压的电源
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二、动态电阻应变仪
理论力学
动态电阻应变仪的基本组成部分包括测量电桥、标定电 桥、交流放大器、振荡器、相敏检波器、低通滤波器、输出 电路、稳压电源。图5-5为动态应变仪方框图。
迭加结果，使输入放大器的电压为零，指示器的指针又重新指零。读数桥
上各可调电阻的电阻变化换算成相应的应变值。因此，在仪器的刻度盘上 可直接读出应变值。
（3）交流放大器 交流放大器的作用是将测量电桥输出的微弱电压信号放大。
（4）相敏检波器 由于应变仪采用了交流供压载波放大的型式，由放大器输出的信号
是由被测应变信号对载波进行调幅后的调制信号，这个信号虽含有被测信 号的特征，但还不是被测信号的原型，不能分辨应变的性质是正应变还是 负应变。相敏检波器的功能就是使通过相敏检波的调制信号恢复原正负应 变的性质。
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第四节 新型智能电阻应变仪的介绍
一、概述
YE2538 A静态应变仪采用智能化管理及串行通讯技术（RS-232C）将 计算机测试手段引入教学型测试领域，同时也适应小型工程测试的需要。
特点：
1．智能化管理； 2．电子开关切换，可靠性高； 3．通道、桥路指示灯指示试； 4．双通道显示； 5．自动平衡； 6．可采用全桥、半桥、1／4桥（公用补偿片）进行测量，连接方便； 7．两路独立补偿点； 8．所有设置参数掉电保存； 9．基于WINDOWS 操作平台的应用软件。
通常温度补偿有三种方式
（1）半桥单片补偿法（半桥外补） ：将一个专用温度补偿片和一个工
作应变片分别接入AB、BC桥臂，联接成半桥的补偿方法。设温度引起
电阻改变而产生的应变值为 εt ，由式（5-4）可得
仪 （1 t） t 1
（5-7）
（2）半桥互联补偿法（半桥自补） ：将两个工作应变片分别接人AB、 BC桥臂，联接成半桥相互补偿的方法。由式（5-4）可得
7．零飘 零飘是衡量仪器静态稳定性的指标，这里的静态是指放大器无信号输
入的状态。开启仪器，观察其稳定性，仪器平衡指示器可能随时间有缓慢 偏移，即仪器有少量输出的现象，这种现象称为零飘。
8．动飘 动飘是衡量仪器动态稳定性的指标，所谓动态是指放大器有信号输入
时的状态。给仪器输入一个恒定的标准应变，可观察其输出的稳定性。仪 器相对于标准应变输出的微小变化称为动飘，静态应变仪没有这项指标。
图5-6 专用应变标定电桥
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（3）交流放大器 动态应变仪的交流放大器（载波放大器）功能与静态应变仪相同。
由于动态电阻应变仪一般都是采用直读法，因而对放大器的稳定性要 高一些。因为放大倍数的变化将直接引起输出信号电流的漂移，所以， 在放大器的前端都设置了衰减器，当输入信号太大时，可采用一定比 例对信号进行衰减，使它不超过放大器的线性工作范围。
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（1）测量电桥
它的功能与直流放大式电阻应变仪相同，电桥输入端的桥压为振荡器 提供的正弦式载波电压。测量电桥包括电阻、电容平衡电路。
（2）读数电桥 要求精度较高的仪器（例如YJ－5型静态应变仪）都设有读数电桥，
它的四个桥臂由高精度的可调电阻器构成，且与测量电桥用同一载波振荡 器供电。读数电桥与测量电桥在输出端是串联的。 当测量电桥因感 受应变而输出一个等幅电压时，指示器指针偏移，调整读数桥桥臂电阻值， 使之输出一个与测量电桥输出电压等幅、相位相反的电压，这两个电压的
（3）A／D转换器 它能将放大后的电压模拟信号转换为数字信号，以便直接驱动数字显示
器。
（4）数字显示器 一般采用液晶显示器，它可将测量的应变值以数字显示出来。
（5）直流电源 直流电源可供给测量电桥、直流放大器和A／D转换器直流电压，一般
采用电池供电。
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2．载波放大式静态应变仪
载波放大式静态应变仪与直流放大式静态应变仪的主要区别在于它的测量电桥
K仪仪 l △UBD
l
KE
4
(
1
2
3
4)
仪 1 2 3 4
(5-3)
上式称为测量电桥桥路联接的基本关系式
从上式可见，应变测量电桥具有邻臂相减，对臂相加的特性。
1.若四个桥臂均由电阻应变片接成，称这种接法为全桥接法；
2.若Rl和R2为电阻应变片，R3和R4为仪器内部的精密无感电阻，这种接法
（6）相敏检波器、振荡器、稳压电源等装置的功能与静态应变仪基本 相同。
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第三节 电阻应变仪的主要技术指标
电阻应变仪的主要技术指标包括
l．测量线数 测量线数是指仪器具有通道的个数，即可同时测量应变的个数。
2．测量范围
测量范围是指可测量应变量的范围，以微应变（ με ）为单位。
3．工作频率范围 工作频率范围是指仪器能测量应变频率的范围。
R3 R3
R4 ) R4
KE 4
(1
2
3
4)
(5-2 )
在静态电阻应变仪中一般将电压△ UBD 放大后再直接反变换成应变量，
K仪仪 l △UBD
l
KE
4
(
1
2
3
4)
式中
K仪为应变仪的灵敏系数， 仪为应变仪读数， l为应变仪的放大倍数。
只要设法让
K仪=
lKE
4
则
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一、直流电桥
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仪 （1 t）（ 2 t） 1 2
（5-8）
（3）全桥互联补偿法（全桥自补） ：将四个工作应变片连接成全桥相 互补偿的方法。由式（5-3）可得
仪 （1 t）（2 t）（3 t）（4 t） 1 2 3 4 （5-9）
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第二节 电阻应变仪的构造
一、静态电阻应变仪的工作原理
以静态应变变化为测量对象的称为静态电阻应变仪。 目前使用的静态电阻应变仪有两种类型：直流放大式（如Y －18型静态电阻应变仪）和载波放大式（如YJ－5型静态应 变仪）。
电桥中的电阻Rl、R2、R3和R4组成四 个桥臂AB、BC、CD和DA。当四个桥臂 的电阻值相等时电桥平衡，则BD之间
的输出电压。若电桥中的任意一个电 阻发生变化，电桥平衡被破坏，输出 电压不再为零，所以电压定量地反映 了桥臂电阻值的变化。
理论力学
图5-l 惠斯登电桥原理
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一、直流电桥 根据电工学原理
化转换成电压信号变化，以供放大器进行放大。测量电桥中还包括预调 平衡电路，测量电桥的桥压由直流电源供给。
（2）直流放大器 由于测量电桥输出的电压信号很微弱，仅为微伏至毫伏数量级，所以
必须通过放大器加以放大。放大器的放大倍数一般为5×104～10×104左 右。测量时，要求采用性能稳定的低漂移直流放大器。
采用交流电桥，放大器采用交流放大器，因此，相应的装置与电路有所不同。载波
放大式静态电阻应变仪的基本组成部分包括测量电桥、读数电桥、振荡器、稳压电
源、交流放大器、相敏检波器和指示器等。图5-4为载波放大式静态电阻应变仪的方 框图及各部分功能的示意图。
图5-4 载波放大式静态电阻应变仪
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理论力学
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理论力学
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（5）指示器 通过相敏检波器的信号输入指示器，指示器指针偏转大小和方向即
反映被测应变大小和符号。对于双桥零读数法的电阻应变仪，测量时总 是调整读数桥的可调电阻刻度盘，使指示电表指针恒指零，从读数桥的 刻度盘上就可直接读出应变值
（6）振荡器 振荡器能为电桥提供一定频率的正弦交流电作为供桥电源，即载波电
R3 )]E
R1R3 R2 R4 (R1 R2 )(R4 R3 )
E
（a）
当 UDB 0 时，R1R3 R2 R4 ，电桥平衡。若各电阻分别有增量 R1 、R2 、R3 和 R4 时，输出端有不平衡桥压 UDB 输出。
U DB
U DB R1
R1
U DB R2
R2
U DB R3
R3
U DB R4
4．应变仪的灵敏系数 应变仪是按一定的电阻应变片的灵敏系数设计的，静态应变仪设
有调节灵敏系数的装置，而动态应变仪没有此装置，它是按固定灵敏
系数设计的，一般都是按灵敏系数K＝2.0设计的，当使用的应变片灵 敏系数K不等于2.0时，应对测量结果进行修正。
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理论力学
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5．应变片电阻值（ ） 电阻应变仪使用指定阻值的电阻应变片，如120 ，当使用其它阻
R1R3 R2 R4
R3C1
R4
C2
由于 R3 R4 ， 于是
（5-5）
R1 C1
R2 C2
（5-6） 图5-2 交流电桥
可见，要使交流电桥平衡，需同时满足电阻平衡和电容 平衡两个条件。
p.6
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三、温度效应的补偿
理论力学
任何导电材料都有电阻温度效应，即其电阻会随环境温度改变而变 化，应变片丝栅材料也不例外。这种由温度改变引起的电阻变化与由变 形引起的电阻变化叠加，将引起测量误差。
理论力学
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第五章 பைடு நூலகம்阻应变仪
第一节 电阻应变仪的工作原理
在第四章中介绍了使用电阻应变片测量应变是利用应变 片的电阻应变效应，由式（4-2）可得
1 R
KR
（5-1）
式（5-1）中为应变片灵敏系数；R为应变片原始电阻；为应
变片电阻改变量。
p.1
理论力学
一、直流电桥
图5-1为惠斯登电桥的原理图。
值的电阻应变片时，应对测量结果进行修正。
6．灵敏度 (mA/με或mV/με) 灵敏度是指应变仪输出端接有额定负载时，输出电流（或电压）与被
测应变的关系。当应变在一定范围内，输出电流与被测应变保持线性关系 时，输出电流（或电压）与应变的比值称为应变仪的灵敏度。例如Y6D－ 3A动态应变仪的灵敏度为0.1 mA／（额定负载为16Ω）。
R4
(b)
其中，U DB
R1
R1
(R1 R2 ) R1 (R1 R2 )2
R1 E
。
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理论力学
一、直流电桥
理论力学
同理，U DB
R2
R2
、
U DB R3
R3
和
U DB R4
R4
均采用类似的计算，
通常选取 R1 R2 R3 R4 R ，故化简得
U DB
E 4
( R1 R1
R2 R2
理论力学
I1,2 E /(R1 R2 )
I3,4 E /( R3 R4 )
U AB R1E /(R1 R2 )
U AD R4E /(R4 R3 )
而
U AB U A U B , U AD U A U D
故
U DB
UD
UB
U AB
U AD
[R1
/( R1
R2 )
R4
/( R4