基于應(yīng)變片的應(yīng)力測(cè)量電路分析

朱浩銘 蔣正忠

摘? 要：文章分析了一種基于電阻應(yīng)變片的應(yīng)力測(cè)量理論測(cè)量電路。為降低實(shí)際測(cè)量中環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，文章進(jìn)一步研究了測(cè)量電路的溫度補(bǔ)償措施。文中將理論應(yīng)力測(cè)試和溫度補(bǔ)償方法相結(jié)合，給應(yīng)力測(cè)試的實(shí)際操作提供了一套具有較高參考價(jià)值思路。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變片;放大電路;應(yīng)變;應(yīng)力測(cè)量

中圖分類號(hào)：TG115.26? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0054-02

Abstract： In this paper， a theoretical measurement circuit of stress measurement based on resistance strain gauge is analyzed. In order to reduce the influence of ambient temperature on the measurement results， the temperature compensation measures of the measuring circuit are further studied in this paper. In this paper， the combination of theoretical stress measurement and temperature compensation method provides a set of ideas with reference value for the practical operation of stress testing.

Keywords： strain gauge; amplifying circuit; strain; stress measurement

在機(jī)械工程領(lǐng)域的研究與應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)于測(cè)量機(jī)械材料所受的應(yīng)力需要的傳感器則經(jīng)常需要用到電阻式應(yīng)變片。如何合理的運(yùn)用電阻式應(yīng)變片進(jìn)行實(shí)際測(cè)試會(huì)對(duì)應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重大影響，因此對(duì)電阻式應(yīng)變片測(cè)試方法的分析是實(shí)際測(cè)試工作實(shí)施的前提和保證。

1 應(yīng)力測(cè)量原理

1.1 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

如圖1所示為電阻式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)。應(yīng)變片是由基底、敏感柵、覆蓋層、粘合層和引出線等部分組成。基底的材料一般有紙、膠膜、玻璃纖維等[1]，其作用是當(dāng)被測(cè)試元器件受到力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)能不失真地傳遞到敏感柵上。敏感柵一般由細(xì)小的合金金屬絲制成。常見的敏感柵制作材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鎳鉻合金或是鐵鉻鋁合金等，敏感柵材料的一般要求：電阻率ρ和材料特有的靈敏系數(shù)K應(yīng)盡可能高且溫度系數(shù)較小。覆蓋層處于敏感柵的上方，其作用是保護(hù)敏感柵。敏感柵的兩頭焊有引出線，以便應(yīng)變片與外部電路相連。

將應(yīng)變片的粘合層貼在被測(cè)元器件上，應(yīng)變片與精密電阻一起構(gòu)成一個(gè)電橋，根據(jù)應(yīng)變片與電阻的個(gè)數(shù)，電橋有成全橋、半橋和1/4橋。由于電橋能有效的對(duì)被測(cè)機(jī)械元器件的應(yīng)變引起的電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，從而能運(yùn)用到應(yīng)變測(cè)量中[2]。

1.2 放大器的結(jié)構(gòu)

應(yīng)變片的阻值變化引起的電壓變化比較小，此電壓變化通常為毫伏級(jí)，不容易進(jìn)行觀測(cè)。所以通常需要對(duì)其進(jìn)行放大。在本設(shè)計(jì)中，擬用一個(gè)如圖2所示的三運(yùn)放差動(dòng)放大電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大。在圖2中，R0為可調(diào)電阻，U4、U5作為電路的輸入端，通過串聯(lián)另一個(gè)運(yùn)算放大器A3作為減法器構(gòu)成差分輸入的三運(yùn)放差動(dòng)放大電路[3]。

2 測(cè)量電路分析

2.1 變送電路

前述的電橋電路，如圖3（b）所示，其中基本的電壓輸出公式為：

如將圖3（b）電橋中的四個(gè)電阻全改為應(yīng)變片，則電橋?yàn)椴顒?dòng)全橋式的測(cè)量電路。若按圖3（a）所示方式安裝各應(yīng)變片，其中R1與R3靠近，R1、R3分別在R2、R4的正上方。此時(shí)令R1、R2、R3、R4相等，當(dāng)被測(cè)構(gòu)件為純彎曲變形時(shí)，則ΔR1、ΔR2、ΔR3與ΔR4的數(shù)值相等，此時(shí)電橋的輸出值為如（4）式所示。

通過對(duì)比 （2）、（3）、（4）式，發(fā)現(xiàn)，1/4橋、半橋與全橋這三種不同的應(yīng)變測(cè)量方式明顯的不同效果。隨著電路中應(yīng)變片的增加，電路的負(fù)載性能隨之得到增強(qiáng)，進(jìn)而使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度依次得到提升。由此可得，電橋中應(yīng)變片個(gè)數(shù)的增加，更有利于獲得可靠的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果。

通過將圖3（b）的橋電路與圖2的放大電路整合，得到如圖4所示的一個(gè)應(yīng)變感應(yīng)與信號(hào)調(diào)理的完整信號(hào)獲取系統(tǒng)。由于圖4所示的應(yīng)變感應(yīng)橋電路往往輸出的是毫伏級(jí)的電壓，在實(shí)際測(cè)量中，圖4中的U3的數(shù)值值往往是通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取，由于每一種特定的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都有自己的測(cè)量量程，因此，將圖4系統(tǒng)運(yùn)用于實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)充分考慮其中的橋電路輸出電壓與用于測(cè)量U3的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量程來合理的設(shè)定該電路中運(yùn)算放大電路的增益。

2.2 溫度誤差與補(bǔ)償

在使用應(yīng)變片作為電阻式傳感器進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，由于受到實(shí)際測(cè)量環(huán)境的影響，電阻因自身的熱效應(yīng)，出現(xiàn)電阻隨著溫度的變化而產(chǎn)生變化的現(xiàn)象，從而影響了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。電阻與溫度的關(guān)系一般為：

在（5）式中，Rt為溫度為t時(shí)的電阻值;R0為溫度為t0時(shí)的電阻值;α為電阻的溫度系數(shù);Δt為溫度的變化值。故，在實(shí)際情況下應(yīng)變片的實(shí)際電阻應(yīng)為：

在（6）式中，Rs為應(yīng)變片實(shí)際電阻;R為應(yīng)變片初始電阻;ΔR為收到應(yīng)變力后電阻變化的值;ΔRt為溫度引起的電阻變化的值。由上述分析可知，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償常用的辦法如圖5。

（1）自補(bǔ)償法：即通過利用兩個(gè)溫度系數(shù)α不同的材料（其通常溫度系數(shù)互為相反數(shù)，但數(shù)值一樣）串聯(lián)在一起做成敏感柵。這兩段敏感柵設(shè)定為Rx和Ry，當(dāng)溫度產(chǎn)生變化時(shí)，Rx和Ry所產(chǎn)生的電阻的變化量為ΔRx和ΔRy，它們的大小相等，符號(hào)卻相反從而互相抵消，以此達(dá)到所要的溫度補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

（2）電路補(bǔ)償法：這種方法也叫熱敏電阻補(bǔ)償法，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。R6為熱敏電阻（選取溫度系數(shù)為負(fù)值），R5為分流電阻。其原理是：將熱敏電阻與應(yīng)變片放置于同一工作環(huán)境當(dāng)中，在應(yīng)變片工作遇到溫度升高時(shí)，R6的阻值下降，應(yīng)變片的靈敏度上升，其結(jié)果就是保持電橋輸出不變，補(bǔ)償了溫度帶來的輸出電壓的實(shí)際值與理想值中的偏差。

3 結(jié)束語

文中分析了應(yīng)變測(cè)量電路的測(cè)試原理，分析了橋電路與運(yùn)算放大電路的合理整合方式。為盡量避免環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，文中進(jìn)一步討論了測(cè)試電路的溫度補(bǔ)償辦法。理論上通過文中分析的將理論電橋、放大電路、溫度補(bǔ)償電路相結(jié)合，應(yīng)可以獲得較理想的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，這對(duì)應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)的實(shí)際實(shí)施具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏義全，牟志平.應(yīng)變片壓力傳感器變送電路的設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2007（32）：59.

[2]程曉曉.基于應(yīng)變片的動(dòng)平衡機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，2011.

[3]范偉，蔣少茵，余卿.應(yīng)變式電子測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，21（05）：400-403+417.

[4]樊尚春.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2016.