1、1实验七 电阻应变仪等测试仪器使用及电路原理一、YJ-25 型静态电阻应变仪电阻应变仪型号繁多，常用的有静态电阻应变仪，如 YJ-16，YJ-25,7V14C 型，静动态电阻应变仪 YJD-1 型，动态应变仪 YD-15 型，以及数字式应变仪，遥测应变仪等，现以 YJ-25 为例作一介绍。YJ-25 静态电阻应变仪采用了大规模集成电路，数码显示和长导线补偿技术。具有精度高，稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，体积小，重量轻，使用和维修方便等特点。1 结构原理（1）该仪器主要特点是将放大后的信号经 A/D 转换器变成数码显示，读数方便准确，其原理框图见 图 7-1。图 7-1 应变仪原理框图（2）
2、 仪器结构，前面板如图 7-2。包括：电源开关、粗细调节、基零测量按钮及灵敏系数、电阻平衡、基零平衡调节旋钮和读数显示屏。后面板如图 7-3 所示。包括：标定、电桥盒、转换器；灵敏度调节旋钮及电源输入插口、预调箱插口、保险丝等。图 7-2 前面板示意图 图 7-3 后面板示意图2 操作步骤（1） 接线：联接电源，应变仪及电桥盒的各接线。将与工作片和补偿片相联的导线接入电桥盒。根据测量的需要，电桥盒的接线有半桥及全桥联接两种。半桥联接：电桥盒（图 7-4）上的 1，2，3，4 分别相当于电桥的 A、B、C、D 四个接线柱。R 3，R 4为电桥盒内的两个 120 无感线绕电阻作为内半桥。将接线柱
3、1 和 5，3 和 7，4信号发生器电桥盒 放 大 器 检波解调 A/D 转换器数码显示稳压电源220v被测信号灵敏系数电阻平衡基零平衡测量基零粗 细开关标定电桥盒平衡电源220平衡箱2和 8 分别短接，在 1、2 之间接工作片 R1，2、3 之间接补偿片 R2，即为半桥单点测量接线。见图 7-4（a） 。全桥联接：将电桥盒 1 和 5，3 和 7，4 和 8 之间的短接片全部取下。分别在（1、2） ，（2、3） ， （3、4） ， （4、1）之间接应变片。即为全桥联接见图 7-4（b） 。（a） （b）图 7-4 电桥盒示意图多点测量时应变片的导线接入 P20R-25 型预调平衡箱，并将预调
4、平衡与应变仪联在一起，后面板上的开关拨到预调箱档上。（2） 标定：调整灵敏系数，使指示值 K 对在 2.00 上，在仪器标定后，再对至与应变片灵敏系数相同的数值上。（3） 通电：检查接线无误后，按下电源开关。（4） 调节：按下“基零”开关，调节“基零”电位器，使显示屏显示为0000。再按下“测量”开关，调节“电阻平衡”电位器，使荧屏显示为0000，这时将“粗”， “细”开关置于“细” ，若调零无法调到0000 时，则按下“粗” 。将后面板开关拨至“标定”档，调节“灵敏度”电位器，使标定值显示为-10000然后拨至“电桥盒”档。反复几次调平衡（零点）和标定值读数（10000） 。为了提高测试精度
5、，若条件允许，每隔一段时间在无载荷情况下核对一下平衡和标定值读数。（5） 测量：再次按上“测量”开关，仪器即可按预定加载方案进行测量。（6） 还原：测试完毕，关闭电源，拆下各接线，整理好现场，试验结束。3注意事项（1） 仪器使用前应预热半小时，可连续工作 4 小时。周围应无腐蚀性气体及强磁场干扰。（2） 导线、连线，插头均应旋紧。测量工作片与补偿片值应尽量一致，连接导线应采用长度，规格相同的屏蔽电缆，测量时导线不得移动。（3） 严格遵守操作规程。试验中发现故障，应立即关掉电源。二、多点测量预调平衡箱预调平衡箱是与静态应变仪配套使用进行多点测量的仪器。常用的平衡箱可同时测量20 个点的应变值，可
6、进行半桥（单片补偿和多点公共补偿） ，全桥应变测量及对其它转换成电压信号物理量的测量。1结构与工作原理预调平衡箱 1-20 点中任一点半桥连接如图 7-5 所示。任一点全桥连接如图 7-6 所示。R1、R 2、R 3、R 4全部为工作片。R1 R21 2 3 45 6 7 8R4R31 2 3 45 6 7 8R1 R2 R3R43图 7-5 半桥连接 图 7-6 全桥连接图 7-7 平衡箱前面板示意图图 7-7 中为切换开关。转换该开关可进行多点测量，当该开关置于“0”时，预调箱处于转换状态。为电阻平衡电位器。它是用于调节测量点桥路的电阻平衡，将该电位器顺时针方向旋转应变值增大，反之，减小。
7、图 7-8 平衡箱后面板示意图1 使用方法（1） 将 YJ-25 型静态电阻应变仪的“选择开关”置“转换”档。灵敏系数盘调到和使用的应变片灵敏系数相同的数值上。（2） 平衡箱联接线分别插入“预调箱”座和“应变仪”座。（3） 按下 YJ-25 应变仪的电源开关接通电源。并将“测量基零”开关置“测量”档。（4） 将“切换开关”置于“1-20”档，调节相应电阻平衡电位器，使 YJ-25 电阻应变仪显示为“0000” 。（5） 接线半桥时将平衡箱后面板转换开关打到半桥，在平衡箱上把工作片接在 AB 接线柱上，把补偿片接在 BC 接线柱上。若想用一个片补偿所有工作片，可用短接铜片把对应的C 行所有接线柱
8、短接起来。在 BC 上接一只补偿片。全桥测量时，将平衡箱后面板转换开关置全桥位置，并依次将应变片引线接在平衡箱的 ABCD 接线柱上。（6） 加载，旋转“切换开关”记录相应的测量值。注意：如在测量时发现有跳字现象，可将桥路 B 节点和接地柱用导线将它们连接起 ABCD 1 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 201 2 3 4 5 18 19 20R3R4EUDBABCDR1 R2rWR3R4EUDBABCDR1 R2rW1 2 3 4 56 7 8 9 1011 12 13 14 1516 17 18 19 20P20R25 型
9、预调平衡箱上海华东电子仪器厂4来，并要求电源插座的接地线接地。三、电测法的基本原理电测方法不仅用于验证材料力学的理论、测量材料的机械性能，而且作为一种重要的实验手段来解决实际工程中的问题及从事研究工作。电测法就是将物理量、力学量，机械量等非电量通过电感元件转换成电量来进行测量的一种实验方法，其原理框图如下图所示。敏 感 元 件 测 量 设 备 被测构件 电 量 测量结果 光、电、机械传感器 数据采集与处理 物 力 机 生 电 电 数 理 学 械 物 压 流 字 量 量 量 参 量 数 图 7-9 电测技术原理框图电测法之所以得到广泛应用，是因为它具有如下诸方面的优点：（1） 灵敏度高，测量范围
10、广。如应变测量范围为110 微应变，力或重力的测量范围为 10-210 5N 等。（2） 能进行静、动态测量，频响范围为 050KHZ。（3） 轻便灵活，可用于现场及野外等恶劣环境下进行测试。（4） 能在高温、低温及高压液下等特殊条件下的测量。（5） 便于与计算机联结进行数据采集处理。可广泛应用于生产管理的自动化及其控制。一、 电阻应变片的构造及工作原理金属丝的电阻值随机械变形而发生变化的现象称为应变一电效应。电阻式敏感元件称作电阻应变片。电阻应变片分丝式电阻片和箔式电阻片两大类。丝绕式应变片是用直径为0.0030.01mm 的合金丝绕成栅状而制；箔式应变片则是用 0.0030.01mm 厚的
11、箔材经化学腐蚀成栅状。主体敏感栅是一个电阻，在感受被测物体的应变时，其电阻也同时发生变化。实验表明被测物体测量部位的应变片 与电阻变化率 R/R 成正比关系。即L（7-1）LKRs式中 Ks称为金属丝的电阻应变灵敏系数上式也可由物理学基本公式导出：电阻值 R 与电阻丝长度 L 及截面积 A 之间的关系为：（7-2）A 为金属丝的电阻率，上式等号两边取对数再微分得：5（7-3）ALR根据金属物理和材料力学理论得知 A/A，/ 也与 L/L 成线性关系，由此得到：Lm/)21()(= （7-4）LKs/式中：金属丝材料的泊桑系数。m常数与材料的种类有关。（7-4）式说明粘贴在构件上的电阻片，其电阻
12、变化率 R/R 与其感受的应变值 L/L 成正比，比例系数为 Ks。由于电阻片的敏感栅并不是一根直丝，所以比例系数一般在标准应变梁上由抽样标定测得，标定梁为纯弯梁或等强度钢梁。对电阻片来说，式（7-4）可写成。 kR二、电阻片的温度效应温度变化时，金属丝的电阻值也随着产生变化，称之为（R/R） T。该电阻变化是由两部分引起的，一是电阻丝的电阻温度系数引起的 TR另一部分是由于金属丝与构件的材料膨胀系数不同而引起的： TKTs)(12因而温度引起的电阻变化为（7-5）RST)(12式中 金属丝（箔）材料的电阻温度系数； 金属丝（箔）材料的热膨胀系数；T 1构件材料的热膨胀系数。2要想准确地测量构
13、件的应变，就要克服温度对电阻变化的影响，一种方法是使电阻片的系数 等于零，这种电阻片称为温度自补偿电阻片；另一种方法是利用测)(12sTK量电路电桥的特性来克服的，这将在下面仔细阐述。四、测量电路-电桥的工作原理测量电路的作用是将电阻片感受的电阻变化率 R/R 变换成电压变化输出，再经放大电路放大。测量电路有许多种，最常用的是桥式电路，它有四个桥臂 R1，R 2，R 3，R 4按顺序接在 A、B、C、D 之间 图 7-11。电桥的对角点 AC 接电源 E。另一对角 BD 为电桥的输出端，其输出电压 uDB。可以证明输出电压。6（7-6）ERUDB4321若电桥的四个桥臂与四枚粘贴在构件上的电阻
14、片连接。当构件变形时，其电阻值的变化分别为： ，此时，电桥的输出电压即为：4321;RR（7-7）ERUDB )( 43432121由式（7-7）和（7-4）可以解出电桥电压的变化量 U DB。当 R/R 1，U DB可以简化为（7-8）bERaDB )()1)()1 342212 式中 a=R2/R1，b=R 3/R4,当 R1=R2=R3=R4时， （7-8）式又可进一步简化成（7-9）4321RUDB上式表明，电桥输出电压的变化量 U DB与两个桥臂的电阻变化率成线性关系，需要注意的是该式成立的必要条件是：a、 小应变 1 b、等桥臂，即 R1=R2=R3=R4R当四枚电阻片的灵敏系数
15、K 相等时， （7-9）式可以写成（7-10）)(44321EUDB式中： 1， 2， 3， 4分别代表电阻片 R1，R 2，R 3，R 4感受的应变值。上式表明，电压变化量 U DB与四个桥臂电阻片对应的应变值 1， 2， 3， 4成线性关系。应当注意，式中的 是代数值，其符号由变形方向决定。通常拉应变为正，压应变为负，可以看出，相邻两臂的 （例如， 1， 2或 3， 4）符号一致时，根据式（7-9）应变相互抵消。如符号相反，则两应变绝对值相加。两相对桥臂的 （例如 1和 3）符号一致时，其绝对值相加，否则二者相互抵消。显然，不同符号的应变按照不同的顺序组桥，会产生不同的测量效果。因此，灵活
16、地运用（7-10）式正确地布片和组桥，可提高测量的灵敏度并减少误差。这种作用称为电桥的加减特性。下面讨论几种常用的组桥方式。1组桥方式（1）单臂测量，电桥中只有一个桥臂（常用 AB 臂）是参与机械变形的电阻片，其它三个桥臂的电阻片都不参与机械变形。这时，电桥的输出电压为：（7-11）114EKRU（2）半桥测量。电桥中相邻两个桥臂（常用 AB、BC 桥臂）参与机械变形的电阻片，其它两个桥臂是不参与机械变形的固定电阻。这时电桥的输出电压为（7-12）)(4)(42121DB7（3）对臂测量。电桥中相对的两个桥臂（常用 AB、CD 桥臂）是参机械变形的电阻片，其它两个桥臂是固定电阻，这时电桥的输出
17、电压为（7-13）)(4)(43131EKREUDB（4）全桥测量。电桥中四个桥臂都是参与机械变形的电阻片。这时电桥输出电压与公式（7-9）及（7-10）相同。另外，还有串联组桥方式，即两枚参与机械变形电阻片串联在同一桥臂中，其测量结果为两枚电阻片电阻变化率的平均值。 图 7-10 桥式测量电路2. 温度补偿片前已述及电阻片的电阻随温度的变化而变化的，利用电桥的加减特性，可通过温度补偿片来消除这一影响。所谓温度补偿是将电阻片贴在与构件材质相同但不参与变形的一块材料上，并与构件处于相同的温度条件下。将补偿片正确地连接在桥路中即可消除温度变化所产生的影响。下面分别讨论各种组桥方式温度补偿片的连接方
18、法。通常参与机械变形的电阻片称为工作片在电桥中用符号 来表示；温度补偿片用符号 来表示；另外仪器中还接有不随温度变化的内接标准电阻。（1）单臂测量 图 7-11。其中 BC 臂接温度补偿片，CD，DA 臂接仪器内的标准电 阻。考虑温度引起的电阻变化（7-14）tRtREuDB )()(4211由于 R1和 R2温度条件完全相同，因此 ，所以电桥的输出电压只与工作引tt起的电阻变化有关，与温度变化无关。即（7-14REuDB15）（2）半桥测量 图 7-12。其中 AB、BC 臂接工作片，CD、DA 仍接仪器内的标准电阻。两枚工作片处在相同的温度条件下， tt)()(21（7-)(4)()(4
19、21221 REtRtREuDB 16）桥路的加减特性自动消除了温度的影响，无需另接温度补偿片。UDBEBR1 R2R3R4A CDER3R4UDBABCDR3R4EUDBABCDC8图 7-11 温度补偿电路 图 7-12 半桥测量（3）对臂测量 图 7-13。一般 AB、CD 两个对臂接工作片，另两个对臂 BC、DA 接温度补偿片。这时四个桥臂的电阻都处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响，得到的结果如式（7-13） 。(a) (b)图 7-13 相对两臂工作（4）全桥测量 图 7-14。四个桥臂都是工作片，由于它们处在相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。其计算如（7-9）或（7-10）式所示。在串联测量时 图 7-15，BC 臂需要将两个补偿片串联起来，才能消除温度的影响。图 7-14 全桥测量 图 7-15 电阻片的串联R3R4EUDBABCDR3R4EUDBABCDAR3R4EUDBABCDUDBR3R4EBCDR1 R2 R1、R1 R2R2
