电阻应变仪

3 电阻应变仪 1．电阻应变仪的组成

电阻应变仪是把电阻应变量测系统中放大与指示（记录、显示）部分组合在一起的量测仪器，主要由振荡器、量测电路、放大器、相敏检波器和电源等部分组成，把应变计输出的信号进行转换、放大、检波以及指示或记录。

2．电阻应变仪的原理

电阻应变仪的测量原理是通过惠斯登电桥 ，将微小电阻变化转变为电压或电流变化，惠斯登电桥是由4个电阻1R 、2R 、3R 和4R 组成，如图所示，4个电阻构成电桥的4个桥臂。根据电工学原理，在电桥的B 、D 端输出电压为BD U 与电桥的A 、C 端的输入电压AC U 的关系为：

()()

42314

231R R R R R R R R U U AC

BD ++-= （ 8）

当4个电桥的电阻满足式3.2.9时，电桥的输出电压为零。这种状态称为平衡状态。

3

4

21R R R R = （ 9） 假设初始状态为平衡状态，受力后桥臂电阻分别有微小的电阻增量1R ∆、

2R ∆、3R ∆和4R ∆，这时电桥输出电压的增量BD U ∆为

BD U ∆＝AC U R R R R R R R R R R R R R R R R ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆-∆++∆-∆+））（（）（44332

434322

1

122121() （ 10） 图 6 惠斯登电桥

R 1

R 2

R 4

R 3

B

A

C

B U AC

U

4．测量电路

根据桥臂上受试验对象的应变变化而改变的电阻应变片（工作应变片）的数量，测量方式主要有：全桥电路、半桥电路和1/4桥电路。

（1）全桥电路

全桥电路就是在量测桥的四个桥臂上全部接入工作应变片，其中相邻臂上的工作片兼作温度补偿片，现假定选取的四个桥臂应变片的阻值都相等（全等臂电桥），即1R ＝2R ＝3R ＝4R ＝R ，且每个应变片的灵敏系数K 也相同，则上式变为：

BD U ∆＝

）

（4

4

332211ΔΔΔΔ4R R R R R R R R U AC -+-＝)(4K 4321εεεε-+-AC U （ 11） （2）半桥电路

半桥电路是由两个工作片和两个固定电阻组成，则

BD U ∆＝

）

（22

114R R R R U AC ∆-∆＝)(4

K 21εε-AC U （ 12） （3）1/4桥电路

1/4桥电路常用于量测应力场里的单个应变，即只有1R 变化，而2R 、3R 和4

R 不变化，则

BD U ∆＝

4AC U 1

1

R R ∆＝14K εAC U （ 13） 5．多点测量线路

进行实际测量时，一个测点显然是不可取的，因而要求应变仪具有多个测量桥，这样就可以进行多测点的测量工作。多点测量线路主要有工作肢转换法和中线转换法。工作肢转换法每次只切换工作片，温度补偿片为公用片；中线转换法每次同时切换工作片和补偿片，通过转换开关自动切换测点而形成测量桥。

6．温度补偿

由于环境温度变化的影响，通过应变片的感受，可引起电阻应变仪指示部分的示值变动，这种变动称为温度效应。而电阻丝通常为镍铬合金丝，温度变动1℃，将产生相当于钢材应力为14.7N/mm 2的示值变动，这一量不能忽视，必须设法加以消除。消除温度效应的方法称为温度补偿。温度补偿可采用温度补偿片

法、工作片互补法和温度自补偿片法三种。

（1）温度补偿片法

试验时，选一个与试件材质相同的温度补偿块粘贴补偿片（应变片规格、粘贴工艺，温度环境与工作片相同），用相同的导线接在桥路工作臂的邻臂上，如图 7所示。根据电桥邻臂输出相减的原理，达到温度效应所产生的应变得以消除的目的。这个粘贴在温度补偿块上，只发生温度效应的应变片，称为温度补偿片，这种方法称为温度补偿片法。通常，1个温度补偿片可以补偿1个工作应变片，也可以补偿多个工作应变片，分别称为单点补偿和多点补偿。对导热性较好的材料，应变片通电后散热较快，可以采用1个补偿片补偿10个工作应变片，如钢材；而混凝土等材料散热性能差，1个补偿片连续补偿的工作应变片不宜超过5个，最好使用单点补偿。

（2）工作片互补法

某些被测结构或构件存在着应变符号相反、比例关系已知和温度条件相同的2个或4个测点时，可以将这些应变片按照符号不同，分别接在相应的邻臂上，这样，在等臂的条件下，这些工作应变片互为温度补偿片，可消除温度效应的影响，如图3.2.8所示。但工作片互补法不适用于混凝土等非匀质材料。以上两种方法都是通过桥路连接方法实现温度补偿的。

（3）温度自补偿应变片法

温度自补偿片。现有的STC 片的基本型式分为两单元片、一单元片和通用型温度补偿片三种。

两单元温度自补偿片由两组金属丝栅串联组成。其中一组有负的电阻温度系

图 7 温度补偿应变片法桥路连接示意

图3.2.8 工作应变片温度互补偿法桥路示意

2

R 1

R 3

R 4R A

B

C

D

P

数，另一组有正的电阻温度系数。调整两组丝栅的长度，使其净电阻温度系数能抵消由于应变片贴在特定材料上因膨胀系数不一致而引起的电阻变化。这种应变片是为具有相应膨胀系数的材料专门设计的。

一单元温度自补偿片中电阻丝栅的制做，要求其使特定电阻所引起的电阻变化，恰好与因应变片与试件的线胀系数不同而引起的阻值变化大小相等，符号相反。

通用型STC 温度自补偿片是一种单元片，两个单元的相对效应可以通过改变

外电路来谓整。图9为这种应变片的电路，其中G R 和T R 互为工作片和补偿片，

LG R 和LT R 为各自的导线电阻，B R 为可变电阻，加以调节可给出预定的最小应变。

（a ） （b ）

图9 普通温度自补偿片

（a ）两单元温度自补偿片STC ；（b ）电路图

R T ＝ 补偿电阻； R G －工作电阻； R LT －补偿臂导线电阻； R LG －工作臂导线电阻； R B －镇流电阻器

输入 输入 输出 输出