惠斯通电桥在电气测量中应用十分广泛,由于它测量精度高,经常用于制成电桥、电位差计等各种标准仪器。然而随着企业贸易结算工作对电子衡器精度要求的逐步提高,使得“进一步提高计量衡器的准确度”成为一个与企业的计量信誉和经济效益直接挂钩的重大而现实的问题。而提高电子衡器的传感精度式解决该问题的途径。所以有效的方法之一是对称重信号的传输电缆增加屏蔽层和反馈线,另外一个有效方法就是将惠斯通电桥应用于称重传感器的测量电路中。 电阻应变式称重传感器的工作过程可以分为3个相互关联的阶段: (1)被测负荷作用在弹性体上,使弹性体产生相应的弹性形变 (2)通过粘贴在弹性体上的电阻应变计,使弹性体的弹性变形转化为电阻应变计的阻值变化(增大或减小) (3)再通过惠斯通测量电路将电阻应变计电阻的变化,转化为电信号输出。 由此可知,称重传感器是由弹性体、电阻应变计和惠斯通电桥3个部分组成。 惠斯通电桥的功能是把电阻应变计的电阻变化量转化为电压信号。一般将粘贴在弹性体上的电阻应变计连接成差动式惠斯通电桥。
惠斯通电桥可以用各种方式测量电阻: ① 通过与已知电阻比较来确定电阻绝对值 ② 测定电阻的相对变化 后一种方法适用于应变技术。它可以测定应变片电阻的相对变化,通常精度可达10-4到10-2Ω/Ω。 下面的图片显示了惠斯通电桥的两个不同的电气连接图,它们是完全相同的:图a)显示了通常使用惠斯登电桥的菱形连接;和图b)是相同电路,这对于未经过电气训练的人来说,这将更清楚。 惠斯通电桥的四个桥臂由电阻R1至R4组成。桥的角点2和3指示桥路激励电压Vs的连接;角点1和4为电桥输出电压V0即测量信号。
注意:对桥路组件和连接没有普遍接受的规则。 在现有的文献中,有各种各样的名称,这反映在桥路方程中。 因此,为了避免误解,必须考虑方程中使用的名称以及它们在桥路中的位置。 如果供电电压 Vs 被施加到电桥终点2和3,那么供电电压被 R1, R2 和 R4, R3 分成两个半桥,即每个半桥形成一个分压器。 由于 R1, R2 和 R3, R4. 的电阻电压不同,电桥可能不平衡。 计算如下:
如果桥路平衡,并且
则电桥输出电压 V0 为零。 在预设应变的情况下,应变计的电阻变化量 ΔR. 我们给出了以下等式:
对于应变测量,电阻 R1 和 R2 在惠斯登电桥中必须相等。这同样适用于 R3 和 R4. 通过一些假设和简化,可以确定以下等式(在HBM的书“使用应变片进行测量的介绍”中给出了进一步的解释):
在计算的最后一步中, ΔR/R 必须由以下代替:
这里k是应变片的k系数,, ε 是应变。
方程式假设桥臂中的所有电阻都改变了。 例如,这种情况发生在传感器或被测对象执行类似的功能。 在实验应力测试中,这种情况几乎不存在,因为通常只有一部分桥臂采用应变片,其余部分由桥接电阻组成。 一般称为四分之一桥,半桥,双四分之一或斜桥和全桥。
根据不同测量任务,测量点上会使用一个或多个应变片。例如全桥、半桥或四分之一桥等表示,实际上它们是不正确的。事实上,测量电路总是完整的,由应变片和含有应变片的试样以及固定电阻来组成 ; 传感器通常要比实验应力测试有更严格的精度要求。一般来说,传感器在所有四个桥臂上都采用应变片(全桥电路)。
如果需要消除各种干扰,应采用全桥或半桥电路进行应力分析。非常重要的是,不同应力状况是有明显区别的,例如压向或拉向,以及弯曲、剪切或扭转应力等。 |
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