电阻应变式传感器与仪器：原理与使用

1.实验目的

①掌握电阻应变计的粘贴技术。

②掌握电阻应变仪的基本工作原理及使用方法。

③了解电阻应变计的各种温度补偿方法。

④在接触网模拟试验架上，作单臂温度补偿电桥和双臂差动输出电桥的特性曲线。

2.实验原理

1）电阻应变计

导电丝材的应变电阻效应为

式中　K0——导电丝材的灵敏系数；

ε——材料的轴向线应变，单位为με，1με＝1×10－6mm/mm。

金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，而半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。利用导电丝材的应变电阻效应，制成测量试件表面应变的敏感元件，在较小的尺寸范围内敏感较大的应变输出，即电阻应变计。

应变计的结构类型很多，如丝式、箔式和半导体应变计等，各种应变计的主要组成部分基本相同，如图11.7所示。

图11.7　典型应变计的结构及组成

2）电阻应变仪

电阻应变仪把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流的变化，并能进一步放大、显示。电阻应变仪通常由应变测量电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、平衡指示器和稳压电源等部分组成。图11.8所示为典型的动态电阻应变仪的组成及原理框图。应变计接入应变电桥的工作臂，振荡器的正弦载波信号作应变电桥的电源，应变电桥对应变计的应变信号ε（t）进行调制，输出调制信号ΔU1，经放大、相敏检波后得到一对应于应变波形的解调信号ΔU3。对于静态测量，ΔU3即可直接由指示器显示；对于动态测量，ΔU3则由低通滤波器去除残余载波后，送入终端仪器进行显示和记录。

图11.8　典型电阻应变仪的组成原理

本实验采用的是YD-21型动态电阻应变仪，其基本技术指标如下：

①测量点数：6通道

②测量应变量范围：0～±10 000 με

③标定：±50、±100、±200、±500、±1 000 με

标定误差：≤±0.5%，最小为±0.5 με

④衰减器：1/2、1/5、1/10、0，四挡

衰减误差：≤±0.5%

⑤输出灵敏度和线性误差：

·电压　0.01 V/με，负载电阻＞10 kΩ

0～±2 V，线性误差0.3%

·电流　0.1 mA/με，负载电阻15 Ω

0～±10 mA，线性误差0.5%

±10～±30 mA，线性误差2%

⑥工作频率：0～2 kHz　（≤0.5 dB）

⑦电桥电压：载波频率　10 kHz±0.2%

正弦有效值　3 V

⑧电阻平衡范围：±2 500 Ω

⑨电容平衡范围：±2 000 pF

⑩信噪比：45 dB

电阻应变片阻值：

·全桥　60～600 Ω

·半桥测量时，标定精度≤0.5%时不需要修正

3）电阻应变计的温度补偿方法

电阻应变计的温度补偿方法有温度自补偿法、桥路补偿法和补偿块法等。

补偿块法采用两个参数相同的应变计R1和R2。其中，R1贴在被测试件上，接入电桥作工作臂；R2贴在与被测试件同材料、同环境温度但不参与机械应变的补偿块上，并接入电桥相邻臂作补偿臂，如图11.9所示。R3和R4为平衡电阻。这样，补偿臂产生与工作臂相同的温度热输出，通过求差接桥，起到了补偿作用。

图11.9　补偿块半桥热补偿应变电桥(www.xing528.com)

3.实验仪器及材料

①动态电阻应变仪（YD-21型）及桥盒

②接触网模拟试验架（参见图11.6）

③兆欧表

④示波器（型号：YB4312）

⑤应变片：BFl20-6.35AA（11）

⑥万用表（型号：MF-30）

⑦502胶、砂纸、丙酮、棉花、套管、绝缘胶布等

⑧电烙铁

⑨导线

4.实验内容及步骤

1）粘贴应变片

①用砂纸打磨接触线待测应变表面，并用丙酮擦洗去油。打磨方向应与主轴成45°，以保证牢固粘贴。

②用502胶粘贴应变计，粘贴时，应变片轴向应与主应变方向平行一致。

③用万用表检查有无短路或断路，用兆欧表测量引线与试件间的绝缘电阻，一般应大于200 MΩ，或用万用表电阻最高挡测量时指针基本上无摆动。

④焊接导线，在焊接处套上套管，并用绝缘胶布固定。应变计引线脚与被测试件间用绝缘胶布隔离，防止短路。

2）桥路连接

图11.10是YD-21型动态电阻应变仪桥盒的结构示意图。其中，端子1和5、端子3和7及端子4和8之间是短接片，端子7和8及端子5和8之间分别是平衡电阻R3和R4。

图11.10　YD-21型动态电阻变仪桥盒的结构

按图11.11进行桥盒的桥路连接，应变计R1和R2接入电桥的两相邻臂。连接测量和补偿应变计的导线长度和线径应分别相同，屏蔽层电容尽量要求一致，芯线线径要粗一些，连接时连接端要牢靠，以减小接触电阻。

图11.11　YD-21型动态电阻应变仪桥盒的连接方法

3）YD-21型动态电阻应变仪的连接

①将桥盒输出的应变信号经专用的四芯电缆线，接至电阻应变仪背面板的输入插头端，注意插头口的位置应对准确。

②根据仪器的使用说明熟悉前后面板上各开关、旋钮的使用方法。

4）单臂温度补偿块电桥实验

①将测量应变计和补偿应变计按要求接入桥盒电路。

②对电阻应变仪进行测量准备（桥路平衡选择、衰减倍数确定、标定等）。

③在接触网模拟试验架上逐步加质量，每加一次在应变仪表头上读一次指示值，然后再逐步减小质量，同样读数，最后根据标定值算出对应的应变量，记入表11.3中。

④在实验过程中，用示波器从应变仪的信号输出口观察波形的变化情况。

⑤用手给导线加载，再突然松开，观察示波器显示波形，说明此波形的含义。

表11.3　实验结果（Ⅰ）

5）双臂差动输出电桥实验

①将导线上下表面的测量应变计分别接入桥盒电路。

②对电阻应变仪进行测量准备（桥路平衡选择、衰减倍数确定、标定等）。

③重复实验内容（4）的测量过程，将结果记入表11.4中。

表11.4　实验结果（Ⅱ）

5.实验报告要求

①根据实验记录结果（表11.3、表11.4），画出单臂温度补偿电桥和双臂差动输出电桥的输出特性曲线，分别计算其灵敏度并比较。

②简述应变计的粘贴方法及注意事项。

③说明用补偿块进行温度补偿的基本原理。

④分析各种可能造成系统测量误差的原因。