应变片 试件

应变方向

图 2-6 应变片工作原理

理论原理可以得出，在一定电阻丝拉伸范围内，金属丝的电阻变化率和应变 程度成正比线性关系，即：

该式中，R 是应变片原始电阻阻值， R 是应变片电阻值的相对变化量，l 是金属丝的长度，K 是应变片的灵敏系数，k 与敏感栅材料、形式、尺寸、工艺 有关，范围一般是 1。7-3。6。

应变片的使用：常温时通常将应变片粘贴在试件表面，贴片质量的好坏直接 影响到后续工作。先打磨清洗待贴位置，再剔除敏感栅的形状缺陷，测量应变片 的电阻值，接着粘贴应变片，加热烘干，最后检查防护以备后用。

2。2。2 电桥测量模块研究和比较

应变电测方法由于若用万用表很难测量出电阻值，一般是 μV 的级别，电桥 测量电路就是为了将电阻变化转化为电压或者电流信号，产生电信号供后接装置 进行进一步分析处理。电桥的分类有很多种，根据电源性质的不同可分为直流电 桥和交流电桥，电桥按照接桥方式分为单臂电桥、半桥和全桥，转成成的信号可 以分为电压型电桥或者电流型电桥等，其中电桥一般采用恒压源。

采用直流电桥缺点是：零点漂移没有得到好的解决、稳定性不好，不能有效 放大极小的电阻信号。优点：分布电容不影响平衡桥路，操作方便，频率较高的 信号也可测出。交流电桥电阻应变仪供电电源频率高和引线分布电容都能影响桥 路平衡，也不好测量出高频变化的信号。

通常是将直流电桥转换成电压或者电流信号，下面研究电压型和电流型电桥 测量原理：

（1） 电压型单臂电桥 电压型单臂桥电路图如图所示。

图片中 R4 为应变片的本体电阻，R1、R2、R3 为三个桥臂的电阻，Uo 为 电桥供电电压，U 为电桥的输出电压，公式为：

(R 4 R 4)R 2 R 1R 3

R 1R 3 R 21R 2 R 3(R 4 R 4) R 2(R 4 R 4)

要达到电桥平衡，就要使得 R1R3-R2R4=0，意味着电阻变化量为 0，输出电 压为 0。

相对误差表示非线性误差的公式为：

可以看出非线性误差随着 增加而变大，输出电压 U 是需要给应变片提供恒 定电流的，公式为

可以看出 R4 电阻变化时，电桥输出电压不能保持现行增加，这也从根本上 导致了增大了电压型电桥的非线性误差。

（2） 电流型单臂电桥

图 2-8  电流型单臂桥电桥

I (R 4 R 4 R 1)(R 2 R 3)

R 4 R 4 R 1 R 3 R 2

假设 R4=R1，R3=R2，再代入上面的公式得出：

由上述公式可得当 R3 趋向于无穷大时，非线性误差相应趋向于为 0，弥补 了电压型电桥的缺点。从电路上也可以分析出来，R3 电阻很大时，流过的电流 就很小，大部分的电流也就通过 R4，相当于恒流，由 2-4、2-5 公式可得，电桥 输出电压与电阻变化量成比例关系。

多通道的电阻应变仪提高测试效率，较多采用单臂电桥测试。因为只需要一 个工作应变片，节约成本，提高效率。缺点之一就是存在非线性误差，修正的方 法有硬件电路和软件方法。

（3） 单臂电流型电桥采用电压缓冲器 如果在精度和带宽都有较高的要求，就采用增加电压缓冲器的方法，输入电

阻可以为 1G，R2、R3 都成为了高值电阻，大于应变片电阻的 100 倍，由上面的 分析可知，误差可以忽略不计。电路图如下所示。电压缓冲器选用下面用作滤波 的芯片 OP07，使用方式就是 2 脚连着 6 脚，正负电源分别连着 3 脚和 2 脚，6 脚为输出，其他脚都不连。此方案获得较好的信噪比和叫宽带宽。