一種測量剛體材料應變的組合實驗儀

尹欽 李海彥 鄒艷

摘要：測定剛體材料的應變不僅在工程技術上而且在科學研究的許多領域都具有非常重要的地位.現有技術的剛體材料應變實驗儀結構復雜使用不方便，并且不能消除由于溫度的變化帶來的測量誤差.本作品提供一種結構簡單、使用方便測量剛體材料應變的組合實驗儀，利用直流單臂電橋的平衡條件和電阻應變效應原理來測量剛體材料的微小應變，通過設置溫度補償片減小了溫度變化所引起的測量誤差.該實驗儀作為學生的選修實驗或綜合性實驗可在高校大學物理實驗室推廣應用.

關鍵詞：電橋;應變;溫度補償片

中圖分類號：O348? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0019-03

應用傳感器法測量物體微小形變具有響應速度快、精度高、便于自動控制等特點.其測量原理是將被測的非電學量轉換成與其成一定比例關系的電學量進行測量.常用的傳感器有應變電阻傳感器、電容傳感器、電感傳感器、霍爾傳感器和熱電傳感器等[1-2].

本實驗儀采用電阻應變式傳感器（簡稱應變片），其工作原理是基于電阻應變效應原理.電阻應變片由金屬電阻絲制成，將其粘貼在具有彈性的待測剛體上，當待測剛體由于受到外力而發生形變時，應變片的敏感柵與待測剛體一同發生形變，其電阻值將發生相應的變化，通過電路將電阻的變化量轉換為電壓量或電流量的變化，從而可以實現將微小的形變轉換成電阻的變化來測量剛體材料的主應變[3-6].該實驗儀操作簡單，方法有創新性，實驗誤差小，實驗精度高，滿足了綜合設計性實驗要求，可在高校大學物理實驗室推廣應用.該實驗技術在醫學、建筑等方面也有著很大的應用前景.

1 實驗儀裝置組成

本實驗儀將提供一種結構簡單、使用方便的剛體材料應變組合實驗儀，如圖1和圖2所示：本實驗儀包含惠斯登電橋電路，應變片RX固定在懸臂梁3的上面并且與惠斯登電橋電路上的應變片接線柱7并聯，應變片RX安裝在夾具2的右側.夾具2固定在底座1上，懸臂梁3固定在夾具2上.懸臂梁3的右端與懸線5上端相接，懸線5的下端與砝碼4相接.溫度補償應變片R1固定在懸臂梁3的上面并且與惠斯登電橋電路上的溫度補償接線柱6并聯.溫度補償應變片R1安裝在夾具2的左側.

惠斯登電橋電路安裝在底座1的內部，惠斯登電橋電路的溫度補償接線柱6和應變片接線柱7以及第二電阻R2和第三電阻R3和保護電阻R的調節旋鈕都安裝在底座1的外殼上，檢流計G和開關K也要安裝在底座1的外殼上.

應變片RX固定在懸臂梁3的上面，并且與惠斯登電橋電路上的應變片接線柱7并聯，應變片RX安裝在夾具2的右側，懸臂梁3固定在夾具2上，懸臂梁3的右端與砝碼4相接，溫度補償應變片R1與惠斯登電橋電路上的溫度補償接線柱6并聯，就可以方便地測量懸臂梁3在不同受力情況下的電阻變化值，從而計算出懸臂梁3的應變數值.

在圖2中，電阻R2、R3串聯后并聯在保護電阻R、直流電源E、開關K串聯的電路上;溫度補償接線柱6（由兩個組成）與應變片接線柱7（由兩個組成）串聯后也并聯在保護電阻R、直流電源E、開關K串聯的電路上.檢流計G的上端與溫度補償接線柱6和應變片接線柱7的連接點相連，檢流計G的下端與電阻R2、R3的連接點相連.溫度補償應變片R1與溫度補償接線柱6相接;應變片RX與應變片接線柱7相接.這就形成了一個惠斯登電橋，其中電阻R2、R3為可調節可直接讀數的高精度電阻箱，保護電阻R為滑線變阻器（保護電阻R也可串聯到檢流計G電路中去）.本實驗儀把圖2的溫度補償接線柱6和應變片接線柱7不接其他器件時的電路組合簡稱為惠斯登電橋電路.

2 實驗原理

該實驗的實驗原理是利用電阻應變式傳感器，將微小的形變信號轉換為電阻阻值的變化來測量剛體試件的主應變.電阻應變片的構造是比較簡單的，將一根具有高電阻金屬細絲在制片機上按圖3所示排繞，然后用膠水將其粘結在兩片薄紙之間并焊上較粗的引出線，這就是常用的絲繞式電阻應變片，它一般由敏感柵（即金屬絲）、粘結劑、基底、引出線和覆蓋層五部分組成.若將電阻應變片粘貼在被測構件的表面，當金屬絲隨構件一起變形時，其電阻值也隨之變化.

該實驗的具體做法是在剛體試件的兩側粘貼兩個電阻應變片，將R1處的應變片作為溫度補償片，將RX處的應變片作為傳感器測量應變片，它們均分布在剛體試件的上表面.將電阻絲制成的電阻應變片的兩端接入測量電路即惠斯登電橋電路中，作為剛體材料微小形變的測量電路.當剛體試件受力變形時，應變片的電阻絲也隨之伸縮，其電阻值也隨之發生變化，此變化是剛體試件表面應變的函數.通過測量電阻的阻值變化，進而就可以得到剛體試件的表面應變.

5 分析討論

該實驗的影響因素主要有應變片的安裝位置的變化、測量儀器的精度以及溫度的變化.由于本實驗主要測量剛體試件上表面彎曲引起的應變，因此應變片的位置放置于剛體的上表面以減小實驗誤差.因為實驗中電阻的變化量較小，需用較高精度的微調電阻箱以使測量結果盡可能精確.通過設置溫度補償片可以減小由于溫度變化所引起的誤差.在測量中可以采取多次測量取平均值的辦法，盡量減小實驗誤差.

6 結束語

本實驗利用直流單臂電橋的平衡條件和電阻應變效應原理來測量剛體材料的微小應變，操作簡單且精度高，而且將電磁學與傳感器知識有機結合了起來，引入實驗室有利于提高學生的綜合能力.通過改進老式實驗儀器，簡化操作，讓實驗變得既簡單易行又獲得了高精度.本實驗儀采用自制儀器，不僅克服了原有儀器的不足，增加了實驗測量的材料范圍，讓實驗能夠得以推廣到各種材料的應變測量，而且鍛煉了學生的實驗能力和創新能力.

參考文獻：

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