一、YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀
電阻應(yīng)變儀型號繁多，常用的有靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，如YJ-16，YJ-25,7V14C型，靜動態(tài)電阻應(yīng)變儀YJD-1型，動態(tài)應(yīng)變儀YD-15型，以及數(shù)字式應(yīng)變儀，遙測應(yīng)變儀等，現(xiàn)以YJ-25為例作一介紹。
YJ-25靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采用了大規(guī)模集成電路，數(shù)碼顯示和長導(dǎo)線補(bǔ)償技術(shù)。具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，重量輕，使用和維修方便等特點(diǎn)。
1. 結(jié)構(gòu)原理
(1) 該儀器主要特點(diǎn)是將放大后的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)碼顯示，讀數(shù)方便準(zhǔn)確，其原理框圖見 圖7-1。
電橋盒
放 大 器
檢波解調(diào)
A/D轉(zhuǎn)換器
數(shù)碼顯示
穩(wěn)壓電源
圖7-1 應(yīng)變儀原理框圖
(2)回路電阻 儀器結(jié)構(gòu)，前面板如圖7-2。包括：電源開關(guān)、粗細(xì)調(diào)節(jié)、基零測量按鈕及靈敏系數(shù)、電阻平衡、基零平衡調(diào)節(jié)旋鈕和讀數(shù)顯示屏。
后面板如圖7-3所示。包括：標(biāo)定、電橋盒、轉(zhuǎn)換器;靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕及電源輸入插口、預(yù)調(diào)箱插口、保險(xiǎn)絲等。
圖7-2 前面板示意圖 圖7-3 后面板示意圖
2. 操作步驟
(1) 接線：聯(lián)接電源，應(yīng)變儀及電橋盒的各接線。將與工作片和補(bǔ)償片相聯(lián)的導(dǎo)線接入電橋盒。根據(jù)測量的需要，電橋盒的接線有半橋及全橋聯(lián)接兩種。
半橋聯(lián)接：電橋盒(圖7-4)上的1，2，3，4分別相當(dāng)于電橋的A、B、C、D四個接線柱。R3，R4為電橋盒內(nèi)的兩個120Ω無感線繞電阻作為內(nèi)半橋。將接線柱1和5，3和7，4和8分別短接，在1、2之間接工作片R1，2、3之間接補(bǔ)償片R2，即為半橋單點(diǎn)測量接線。見圖7-4(a)。
全橋聯(lián)接：將電橋盒1和5，3和7，4和8之間的短接片全部取下。分別在(1、2)，(2、3)，(3、4)，(4、1)之間接應(yīng)變片。即為全橋聯(lián)接見圖7-4(b)。
(a) (b)
圖7-4 電橋盒示意圖
多點(diǎn)測量時應(yīng)變片的導(dǎo)線接入P20R-25型預(yù)調(diào)平衡箱，并將預(yù)調(diào)平衡與應(yīng)變儀聯(lián)在一起，后面板上的開關(guān)撥到預(yù)調(diào)箱檔上。
(2) 標(biāo)定：調(diào)整靈敏系數(shù)，使指示值K對在2.00上，在儀器標(biāo)定后，再對至與應(yīng)變片靈敏系數(shù)相同的數(shù)值上。
(3) 通電：檢查接線無誤后，按下電源開關(guān)。
(4) 調(diào)節(jié)：
①按下“基零”開關(guān)，調(diào)節(jié)“基零”電位器，使顯示屏顯示為±0000。
②再按下“測量”開關(guān)，調(diào)節(jié)“電阻平衡”電位器，使熒屏顯示為±0000，這時將“粗”，“細(xì)”開關(guān)置于“細(xì)”，若調(diào)零無法調(diào)到±0000時，則按下“粗”。
③將后面板開關(guān)撥至“標(biāo)定”檔，調(diào)節(jié)“靈敏度”電位器，使標(biāo)定值顯示為-10000με然后撥至“電橋盒”檔。
④反復(fù)幾次調(diào)平衡(零點(diǎn))和標(biāo)定值讀數(shù)(10000με)。
⑤為了提高測試精度，若條件允許，每隔一段時間在無載荷情況下核對一下平衡和標(biāo)定值讀數(shù)。
(5) 測量：再次按上“測量”開關(guān)，儀器即可按預(yù)定加載方案進(jìn)行測量。
(6) 還原：測試完畢，關(guān)閉電源，拆下各接線，整理好現(xiàn)場，試驗(yàn)結(jié)束。
3.注意事項(xiàng)
(1) 儀器使用前應(yīng)預(yù)熱半小時，可連續(xù)工作4小時。周圍應(yīng)無腐蝕性氣體及強(qiáng)磁場干擾。
(2) 導(dǎo)線、連線，插頭均應(yīng)旋緊。測量工作片與補(bǔ)償片值應(yīng)盡量一致，連接導(dǎo)線應(yīng)采用長度，規(guī)格相同的屏蔽電纜，測量時導(dǎo)線不得移動。
(3) 嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)故障，應(yīng)立即關(guān)掉電源。
二、多點(diǎn)測量預(yù)調(diào)平衡箱
預(yù)調(diào)平衡箱是與靜態(tài)應(yīng)變儀配套使用進(jìn)行多點(diǎn)測量的儀器。常用的平衡箱可同時測量20個點(diǎn)的應(yīng)變值，可進(jìn)行半橋(單片補(bǔ)償和多點(diǎn)公共補(bǔ)償)，全橋應(yīng)變測量及對其它轉(zhuǎn)換成電壓信號物理量的測量。
1.結(jié)構(gòu)與工作原理
預(yù)調(diào)平衡箱1-20點(diǎn)中任一點(diǎn)半橋連接如圖7-5所示。任一點(diǎn)全橋連接如圖7-6所示。R1、R2、R3、R4全部為工作片。
圖7-5 半橋連接 圖7-6 全橋連接
②
①
圖7-7 平衡箱前面板示意圖
圖7-7中①為切換開關(guān)。轉(zhuǎn)換該開關(guān)可進(jìn)行多點(diǎn)測量，當(dāng)該開關(guān)置于“0”時，預(yù)調(diào)箱處于轉(zhuǎn)換狀態(tài)。
②為電阻平衡電位器。它是用于調(diào)節(jié)測量點(diǎn)橋路的電阻平衡，將該電位器順時針方向旋轉(zhuǎn)應(yīng)變值增大，反之，減小。
圖7-8 平衡箱后面板示意圖
1. 使用方法
(1) 將YJ-25型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的“選擇開關(guān)”置“轉(zhuǎn)換”檔。靈敏系數(shù)盤調(diào)到和使用的應(yīng)變片靈敏系數(shù)相同的數(shù)值上。
(2) 平衡箱聯(lián)接線分別插入“預(yù)調(diào)箱”座和“應(yīng)變儀”座。
(3) 按下YJ-25應(yīng)變儀的電源開關(guān)接通電源。并將“測量基零”開關(guān)置“測量”檔。
(4) 將“切換開關(guān)”置于“1-20”檔，調(diào)節(jié)相應(yīng)電阻平衡電位器，使YJ-25電阻應(yīng)變儀顯示為“±0000”。
(5) 接線半橋時將平衡箱后面板轉(zhuǎn)換開關(guān)打到半橋，在平衡箱上把工作片接在AB接線柱上，把補(bǔ)償片接在BC接線柱上。若想用一個片補(bǔ)償所有工作片，可用短接銅片把對應(yīng)的C行所有接線柱短接起來。在BC上接一只補(bǔ)償片。全橋測量時，將平衡箱后面板轉(zhuǎn)換開關(guān)置全橋位置，并依次將應(yīng)變片引線接在平衡箱的ABCD接線柱上。
(6) 加載，旋轉(zhuǎn)“切換開關(guān)”記錄相應(yīng)的測量值。
注意：如在測量時發(fā)現(xiàn)有跳字現(xiàn)象，可將橋路B節(jié)點(diǎn)和接地柱用導(dǎo)線將它們連接起 來，并要求電源插座的接地線接地。
三、電測法的基本原理
電測方法不僅用于驗(yàn)證材料力學(xué)的理論、測量材料的機(jī)械性能，而且作為一種重要的實(shí)驗(yàn)手段來解決實(shí)際工程中的問題及從事研究工作。
電測法就是將物理量、力學(xué)量，機(jī)械量等非電量通過電感元件轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行測量的一種實(shí)驗(yàn)方法，其原理框圖如下圖所示。
敏 感 元 件 測 量 設(shè) 備
被測構(gòu)件 電 量 測量結(jié)果
光、電、機(jī)械傳感器 數(shù)據(jù)采集與處理
物 力 機(jī) 生 電 電 數(shù)
理 學(xué) 械 物 壓 流 字
量 量 量 參 量
數(shù)
圖7-9 電測技術(shù)原理框圖
電測法之所以得到廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂腥缦轮T方面的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 靈敏度高，測量范圍廣。如應(yīng)變測量范圍為±1～±104微應(yīng)變，力或重力的測量范圍為10-2～105N等。
(2) 能進(jìn)行靜、動態(tài)測量，頻響范圍為0～±50KHZ。
(3) 輕便靈活，可用于現(xiàn)場及野外等惡劣環(huán)境下進(jìn)行測試。
(4) 能在高溫、低溫及高壓液下等特殊條件下的測量。
(5) 便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理?？蓮V泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理的自動化及其控制。
一、 回路電阻應(yīng)變片的構(gòu)造及工作原理
金屬絲的電阻值隨機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變一電效應(yīng)。電阻式敏感元件稱作電阻應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片分絲式電阻片和箔式電阻片兩大類。絲繞式應(yīng)變片是用直徑為0.003～0.01mm的合金絲繞成柵狀而制;箔式應(yīng)變片則是用0.003～0.01mm厚的箔材經(jīng)化學(xué)腐蝕成柵狀。主體敏感柵是一個電阻，在感受被測物體的應(yīng)變時，其電阻也同時發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明被測物體測量部位的應(yīng)變片
與電阻變化率ΔR/R成正比關(guān)系。即
(7-1)
式中Ks稱為金屬絲的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)
上式也可由物理學(xué)基本公式導(dǎo)出：電阻值R與電阻絲長度L及截面積A之間的關(guān)系為：
(7-2)
ρ為金屬絲的電阻率，上式等號兩邊取對數(shù)再微分得：
(7-3)
根據(jù)金屬物理和材料力學(xué)理論得知ΔA/A，Δρ/ρ也與ΔL/L成線性關(guān)系，由此得到：
=
(7-4)
式中：μ——金屬絲材料的泊桑系數(shù)。
m——常數(shù)與材料的種類有關(guān)。
(7-4)式說明粘貼在構(gòu)件上的電阻片，其電阻變化率ΔR/R與其感受的應(yīng)變值ΔL/L成正比，比例系數(shù)為Ks。由于電阻片的敏感柵并不是一根直絲，所以比例系數(shù)一般在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變梁上由抽樣標(biāo)定測得，標(biāo)定梁為純彎梁或等強(qiáng)度鋼梁。對電阻片來說，式(7-4)可寫成。
二、電阻片的溫度效應(yīng)
溫度變化時，金屬絲的電阻值也隨著產(chǎn)生變化，稱之為(ΔR/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(gòu)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
(7-5)
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(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)。
要想準(zhǔn)確地測量構(gòu)件的應(yīng)變，就要克服溫度對電阻變化的影響，一種方法是使電阻片的系數(shù)
等于零，這種電阻片稱為溫度自補(bǔ)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(xì)闡述。
四、 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率ΔR/R變換成電壓變化輸出，再經(jīng)放大電路放大。測量電路有許多種，*常用的是橋式電路，它有四個橋臂R1，R2，R3，R4按順序接在A、B、C、D之間 圖7-11。電橋的對角點(diǎn)AC接電源E。另一對角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓uDB?？梢宰C明輸出電壓。
(7-6)
若電橋的四個橋臂與四枚粘貼在構(gòu)件上的電阻片連接。當(dāng)構(gòu)件變形時，其電阻值的變化分別為：
，此時，電橋的輸出電壓即為：
(7-7)
由式(7-7)和(7-4)可以解出電橋電壓的變化量ΔUDB。當(dāng)ΔR/R << 1，ΔUDB可以簡化為
(7-8)
式中a=R2/R1，b=R3/R4,當(dāng)R1=R2=R3=R4時，(7-8)式又可進(jìn)一步簡化成
(7-9)
上式表明，電橋輸出電壓的變化量ΔUDB與兩個橋臂的電阻變化率成線性關(guān)系，需要注意的是該式成立的必要條件是：
a、 小應(yīng)變
1 b、等橋臂，即R1=R2=R3=R4
當(dāng)四枚電阻片的靈敏系數(shù)K相等時，(7-9)式可以寫成
(7-10)
式中：ε1，ε2，ε3，ε4分別代表電阻片R1，R2，R3，R4感受的應(yīng)變值。上式表明，電壓變化量ΔUDB與四個橋臂電阻片對應(yīng)的應(yīng)變值ε1，ε2，ε3，ε4成線性關(guān)系。應(yīng)當(dāng)注意，式中的ε是代數(shù)值，其符號由變形方向決定。通常拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)，可以看出，相鄰兩臂的ε(例如，ε1，ε2或ε3，ε4)符號一致時，根據(jù)式(7-9)應(yīng)變相互抵消。如符號相反，則兩應(yīng)變***相加。兩相對橋臂的ε(例如ε1和ε3)符號一致時，其***相加，否則二者相互抵消。顯然，不同符號的應(yīng)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(yùn)用(7-10)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。下面討論幾種常用的組橋方式。
1. 回路電阻測試儀組橋方式
(1) 單臂測量，電橋中只有一個橋臂(常用AB臂)是參與機(jī)械變形的電阻片，其它三個橋臂的電阻片都???參與機(jī)械變形。這時，電橋的輸出電壓為：
(7-11)
(2) 半橋測量。電橋中相鄰兩個橋臂(常用AB、BC橋臂)參與機(jī)械變形的電阻片，其它兩個橋臂是不參與機(jī)械變形的固定電阻。這時電橋的輸出電壓為
(7-12)
(3) 對臂測量。電橋中相對的兩個橋臂(常用AB、CD橋臂)是參機(jī)械變形的電阻片，其它兩個橋臂是固定電阻，這時電橋的輸出電壓為
(7-13)
(4)
全橋測量。電橋中四個橋臂都是參與機(jī)
械變形的電阻片。這時電橋輸出電壓與公式(7-9)
及(7-10)相同。
另外，還有串聯(lián)組橋方式，即兩枚參與機(jī)械變
形電阻片串聯(lián)在同一橋臂中，其測量結(jié)果為兩枚電
阻片電阻變化率的平均值。 圖7-10橋式測量電路
2. 溫度補(bǔ)償片
前已述及電阻片的電阻隨溫度的變化而變化的，利用電橋的加減特性，可通過溫度補(bǔ)償片來消除這一影響。所謂溫度補(bǔ)償是將電阻片貼在與構(gòu)件材質(zhì)相同但不參與變形的一塊材料上，并與構(gòu)件處于相同的溫度條件下。將補(bǔ)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(bǔ)償片的連接方法。通常參與機(jī)械變形的電阻片稱為工作片在電橋中用符號 來表示;溫度補(bǔ)償片用符號 來表示;另外儀器中還接有不隨溫度變化的內(nèi)接標(biāo)準(zhǔn)電阻。
(1)單臂測量 圖7-11。其中BC臂接溫度補(bǔ)償片，CD，DA臂接儀器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電 阻?？紤]溫度引起的電阻變化
(7-14)
由于R1和R2溫度條件完全相同，因此
，所以電橋的輸出電壓只與工作引起的電阻變化有關(guān)，與溫度變化無關(guān)。即
(7-15)
(2)半橋測量 圖7-12。其中AB、BC臂接工作片，CD、DA仍接儀器內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻。兩枚工作片處在相同的溫度條件下，
(7-16)
橋路的加減特性自動消除了溫度的影響，無需另接溫度補(bǔ)償片。
圖7-11 溫度補(bǔ)償電路 圖7-12 半橋測量
(3)對臂測量 圖7-13。一般AB、CD兩個對臂接工作片，另兩個對臂BC、DA接溫度補(bǔ)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，得到的結(jié)果如式(7-13)。
回路電阻測試儀等測試儀器使用及電路原理 (a) (b)
圖7-13 相對兩臂工作
(4)全橋測量 圖7-14。四個橋臂都是工作片，由于它們處在相同的溫度件下，相互抵消了溫度的影響。其計(jì)算如(7-9)或(7-10)式所示。
在串聯(lián)測量時 圖7-15，BC臂需要將兩個補(bǔ)償片串聯(lián)起來，才能消除溫度的影響。
圖7-14 全橋測量 圖7-15 電阻片的串聯(lián)
回路電阻測測量儀-專業(yè)技術(shù)
回路電阻測試儀等測試儀器使用及電路原理
公安機(jī)關(guān)備案號：
