電測法應(yīng)力測量簡介
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- 發(fā)布時間:2017/9/20 17:50:18
- 作者:czy_yinhe
應(yīng)力測量的常用方法有電測法、光纖光柵法、振弦式測量法。電測法應(yīng)力測量是通過在被測部位粘貼應(yīng)變片的方式將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化,通過測量電阻值變化達(dá)到測量應(yīng)力的目的。常用的應(yīng)變片有箔式應(yīng)變片、金屬絲式應(yīng)變片和半導(dǎo)體式應(yīng)變片。
一應(yīng)力測量常用橋路
應(yīng)力測量中電阻值變化通常比較小,為了測量電阻的微小變化通常會引入惠斯通電橋,惠斯通電橋由四個電阻組合而成。如圖1所示:
如果R1=R2=R3=R4或R1×R3=R2×R4,那么無論輸入多大電壓,輸出電壓e總為0,這種狀態(tài)稱為平衡態(tài)。如果平衡被破壞,就會產(chǎn)生與電阻變化相對應(yīng)的輸出電壓。
圖1 惠斯通電橋
011/4橋應(yīng)力測量
如圖2所示,將R1與應(yīng)變片相連,當(dāng)應(yīng)變片發(fā)生變化時,假設(shè)其阻值變化量為ΔR,則輸出電壓e的計算公式如下:
上式中除了ε都是已知量,所以如果測出電橋的輸出電壓就可以計算出應(yīng)變的大小。
圖2 1/4橋應(yīng)力測量
02全橋應(yīng)變測量
在電橋中的每個橋臂中聯(lián)入一枚應(yīng)變片,當(dāng)四條邊上的應(yīng)變片的電阻分別引起R1+ΔR1、R2+ΔR2、R3+ΔR3、R4+ΔR4變化時橋路輸出電壓為
若四枚應(yīng)變片完全相同,比例常數(shù)為K,且應(yīng)變分別為ε1 、ε2 、ε3 、ε4,則上式可寫成下面的形式:
也就是說應(yīng)變測量時,鄰臂上的應(yīng)變相減,對臂上的應(yīng)變相加。
圖3 全橋應(yīng)力測量
03半橋應(yīng)變測量
在電橋中聯(lián)入兩枚應(yīng)變片,共有兩種聯(lián)入方法,分別為鄰邊法和對邊法。根據(jù)全橋電壓輸出公式,當(dāng)為鄰邊法時輸出電壓為:
對邊法輸出電壓為:
圖4 a、鄰邊法應(yīng)力測量
圖5 b、對邊法應(yīng)力測量
二溫度補(bǔ)償
應(yīng)變片的電阻除因受力引起變形而發(fā)生變化外,由于溫度的變化電阻值也會發(fā)生改變,這樣即使不施加外力貼在被測定物體上的應(yīng)變片也會測到應(yīng)變。為了解決溫度的影響,可以使用動態(tài)模擬法和自我溫度補(bǔ)償法消除溫度對應(yīng)變測量帶來的影響。
01動態(tài)模擬法
動態(tài)模擬法是使用兩片應(yīng)變片聯(lián)入橋路的相鄰邊,其中被測物上貼上應(yīng)變片,在與被測物材質(zhì)相同的材料上貼上另外一個相同的應(yīng)變片,并將其置于與被測物相同溫度的環(huán)境里,由于溫度引起的應(yīng)變相同,相鄰兩橋臂溫度引起的輸出電壓為零。
02自我溫度補(bǔ)償法
自我溫度補(bǔ)償法是根據(jù)被測物材料的熱膨脹系數(shù)的不同來調(diào)節(jié)應(yīng)變片敏感柵,在線性膨脹系數(shù)為βs 的被測量物平面上粘貼著電阻元素的線性膨脹系數(shù)為βg 的應(yīng)變片,該應(yīng)變片每上升1℃的外觀應(yīng)變量εT由以下公式所示:
a:電阻元素電阻溫度系數(shù)
Ks:應(yīng)變片的應(yīng)變率
自動補(bǔ)償溫度型應(yīng)變片是根據(jù)以上公式及被測量物的線性膨脹系數(shù),通過控制應(yīng)變片電阻元素的電阻溫度系數(shù)來確保 接近為零的應(yīng)變片。
圖6 自我溫度補(bǔ)償示意圖
三橋路激勵的選擇
應(yīng)變片的激勵電流需要考慮到產(chǎn)生的焦耳熱與散熱的關(guān)系,與金屬連接時,最大限度為20mA,常用的激勵電流限度為10mA~15mA。
電橋激勵電壓的標(biāo)準(zhǔn)為:120?時,2~4V;350?時,5~10V。若被測量物為薄型物體,又是陶瓷、塑料之類散熱性不佳的材料時,可使用更低一點(diǎn)的電橋激勵電壓。