1、測量電橋連接方法一、實驗目的1 初步掌握電測法的基本原理，為后續(xù)電測實驗做好準備工作2. 初步掌握應變力綜合測試儀的使用；3. 比較單臂半橋、半橋與全橋不同性能，了解其特點。二、實驗儀器和設備1、BDQ-1型等強度梁實驗裝置； 2、CML-1H型應變力綜合測試儀；3、溫度補償塊，測量導線若干。三、實驗原理1電測法的基本原理電測法，是實驗應力分析的基本方法，也是重要方法之一。電測法就是將物理量、力學量、機械量等非電量通過敏感元件轉(zhuǎn)換成電量來進行測量的一種實驗方法，其原理框圖如圖1-1所示。電 量欲 測 量被測物體 敏感元器件 測量儀器 光、電、機傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理物 力 機 生 電 電 數(shù)理

2、 學 械 物 字量 量 量 參 壓 流 量 圖2-1電測技術原理圖電測法以測量精度高、傳感元件小和測量范圍廣等優(yōu)點，在工程中得到廣泛應用?，F(xiàn)著重介紹以電阻應變片為敏感元件，通過電阻應變測試儀測定構件表面應變的電測實驗方法。2電阻應變片的工作原理敏感元件能感知外界的各種信息，按性質(zhì)可分光敏、氣敏、聲敏、壓敏等。按其工作原理則可分電阻式、電容式、電感式、壓電式、電磁式及其他特殊形式等。其中以電阻式結(jié)構最簡單，應用最廣泛。（1） 電阻片的“應變電”效應金屬絲的電阻值隨機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變電”效應。電阻式敏感元件稱電阻應變片或電阻應變計，簡稱電阻片或應變片。電阻片分絲式和箔式，分別如圖2

3、-3和2-4所示。絲式應變片是用直徑為0.003mm0.01mm的合金絲繞成柵狀而制成；箔式應變片則是用0.003mm0.01mm厚的箔材經(jīng)化學腐蝕成柵狀。敏感柵做成柵狀主要是保證要求的電阻值條件下，盡量減小尺寸以測量較小面積內(nèi)的應變。圖2-3 金屬絲電阻片（1.覆蓋層2.敏感柵3.基底 4.引線） 圖2-4箔式電阻片結(jié)構簡圖將電阻片安裝（如粘貼）在被測構件的表面，構件受力而變形時，電阻片的主體敏感柵隨之產(chǎn)生相同應變，其電阻值發(fā)生變化，用儀器測量此電阻變化即可得到構件在電阻片粘貼表面沿敏感柵軸線方向的應變。實驗表明：被測物體測量點沿電阻片敏感柵軸線方向的應變l/l與電阻片的電阻變化率R/R成正

4、比關系。即 （2-1） 上式關系稱為電阻片的“應變電”效應，式中K稱為電阻片的電阻應變靈敏系數(shù)。金屬細絲的電阻值R與絲長度l及截面積A之間的關系由物理學公式得： （2-2）系數(shù)為金屬絲的電阻率，上式等號兩邊取對數(shù)再微分得： （2-3）根據(jù)金屬物理和材料力學理論得知也與成線性關系，由此得到： （2-4）式中金屬絲材料的泊松比，m材料常數(shù)，與材料的種類有關，金屬絲的電阻應變靈敏系數(shù)。（2-4）式表示了金屬絲的“應變電”效應，電阻片就是利用這一效應制成的。制成電阻片的靈敏系數(shù)K與金屬絲的靈敏系數(shù)Ks有關，但有差別。因為電阻片的敏感柵并不是一根直絲，另外還有基底尺寸和性能、制造工藝等因素，一般KKs

5、，所以電阻片的電阻應變靈敏系數(shù)K一般在標準應變梁上由抽樣標定測得（標定梁為純彎梁或等強度鋼梁）,而非理論計算。制造單位在出廠電阻片時把電阻片的靈敏系數(shù)、電阻值、敏感柵的長度和寬度等基本參數(shù)表明在產(chǎn)品的包裝袋上。（2） 電阻片的溫度效應溫度變化時，金屬絲的電阻值也隨著產(chǎn)生變化，稱之為（R/R）T。該電阻變化是由兩部分引起的，一是電阻絲的電阻溫度系數(shù)引起的 另一部分是由于金屬絲與構件的材料膨脹系數(shù)不同而引起的： 因而溫度引起的電阻變化為 （2-5）式中金屬絲（箔）材料的電阻溫度系數(shù)；金屬絲（箔）材料的熱膨脹系數(shù)；構件材料的熱膨脹系數(shù)。要想準確地測量構件的應變，就要克服溫度對電阻變化的影響。一種方法

6、是使電阻片的系數(shù)等于零，這種電阻片稱為溫度自補償電阻片；另一種方法是利用測量電路電橋的特性來克服的，這將在下面仔細闡述。3測量電路電橋的工作原理測量電路的作用是將電阻片感受的電阻變化R/R變換成電壓變化輸出，再經(jīng)放大電路放大。測量電路有多種，最常用的是橋式測量電路，它有四個橋臂R1；R2；R3；R4分別接在A，B，C，D之間，如圖2-5所示。電橋的對角點AC接電源E。另一對角點BD為電橋的輸出端，其輸出電壓為UDB?？梢宰C明輸出電壓 BR2R1 C UDBR3R4 A D E + -圖2-5 橋式測量電路 （2-6）若電橋的四個橋臂分別接入四枚粘貼在構件上的電阻片。當構件變形時，其應變片電阻值

7、的變化分別為：R1+R1；R2+R2；R3+R3；R4+R4，此時，電橋的輸出電壓即為： （2-7）由式（2-7）和（2-6）可以解出電橋電壓的變化量UDB。當R/R1，UDB可以簡化為 （2-8）式中a=R2/R1, b=R3/R4。當R1=R2=R3=R4時，（2-8）式又可進一步簡化成 （2-9）上式表明，電橋輸出電壓的變化量UDB與四個橋臂的電阻變化率成線性關系。需要注意的是該式成立的必要條件是：（1） 小應變，（2） 等橋臂，即R1=R2=R3=R4。當四枚電阻片的靈敏系數(shù)K相等時，（2-9）式可以寫成 （2-10）（2-10）式中，1、2、3、4分別代表電阻片R1，R2，R3，R4

8、感受的應變值，上式表明，電壓變化量UDB與四個橋臂電阻片對應的應變值1、2、3、4成線性關系。應當注意，式中的是代數(shù)值，其符號由變形方向決定。通常拉應變?yōu)檎?，壓應變?yōu)樨??？梢钥闯?，想臨兩臂的（例如，1、2或3、4）符號一致時，根據(jù)（2-10）兩式應變相抵消。如符號相反，則兩應變絕對值相加。而相對兩臂的（例如1和3）符號一致時，其絕對值相加，否則二者相互抵消。顯然，不同符號的應變按照不同的順序組橋，會產(chǎn)生不同的測量效果。因此，靈活地運用（2-10）式，正確地布片和組橋，可提高測量的靈敏度并減少誤差。這種作用稱為電橋的加減特性。下面介紹幾種常用的組橋方式。 組橋方式（1） 單臂測量。電橋中只有一個

9、橋臂（如AB臂）是參與機械變形的電阻片，其他三個橋臂的電阻片都不參與機械變形。這時，電橋的輸出電壓為： （2-11）（2） 半橋測量。電橋中相鄰兩個橋臂（如AB，BC橋臂）參與機械變形的電阻片，其它兩個橋臂是不參與機械變形的固定電阻。這時電橋的輸出電壓為 （2-12）（3） 對臂測量。電橋中相對的兩個橋臂（如AB，CD橋臂）是參與機構機械變形的電阻片，其他兩個橋臂是固定電阻。這時電橋的輸出電壓為 （2-13）（4） 全橋測量。電橋中四個橋臂都是參與機械變形的電阻片。這時電橋的輸出電壓與公式（2-9）及（2-10）相同。另外，還有串聯(lián)組橋方式，即兩枚參與機械變形的電阻片串聯(lián)在同一橋臂中，其測量結(jié)

10、果為兩枚電阻片電阻變化率的平均值。 溫度補償片前已述及電阻片的電阻隨溫度的變化而變化，利用電橋的加減特性，可通過溫度補償片來消除這一影響。所謂溫度補償，是將電阻片貼在與構件材質(zhì)相同但不參與變形的一塊材料上，并與構件處于相同的溫度條件下，將補償片正確地連接在橋路中即可消除溫度變化所產(chǎn)生的影響。下面分別討論各種組橋方式溫度補償片的連接方法。通常參與機械變形的電阻片稱為工作片，電橋中用符號 來表示；溫度補償片用符號 來表示；另外，儀器中還設有不隨溫度變化的內(nèi)接標準電阻。（1） 單臂測量（圖2-5）。其中BC臂接溫度補償片，CD，DA臂接儀器內(nèi)的標準電阻?？紤]溫度引起的電阻變化 （1-14）由于R1和

11、R2溫度條件完全相同,因此,所以電橋的輸出電壓只與工作片引起的電阻變化有關,與溫度變化無關。即 （1-15）（2） 半橋測量（圖2-6）。其中AB，BC臂接工作片，CD，DA仍接儀器內(nèi)的標準電阻。兩枚工作片處在相同的溫度條件下， （1-16）圖2-5溫度補償電路 圖2-6半橋測量半橋測量時橋路的加減特性自動消除了溫度的影響，無需另接溫度補償片。（3） 對臂測量（圖2-7）。一般AB，CD兩個對臂接工作片，另兩個對臂BC，DA接溫度補償片。這時四個橋臂的電阻都處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響。其計算如（2-9）式或（2-10）式所示。這里不重復闡述。 在串聯(lián)測量時（圖2-9），BC臂需要將兩個補償片串聯(lián)起來，才能消除溫度的影響。 圖2-7 相對兩臂工作R2R1R1DCCdUDBAEdUDBER2 R4R3R2R1DBBA圖2-8 全橋測量 圖2-9電阻片的串聯(lián)四、實驗方法與步驟：1. 理解電測法的基本原理及各種電路-電橋的工作原理。2. 了解等強度梁實驗裝置的構造特點及貼片情況。3. 了解應變力綜合測試儀的構造，并學會使用如何利用該儀器測量應變。4. 按照單臂半橋，半橋和全橋的不同組橋方式，將等強度梁上