电阻应变片直流电桥测量电路的攻略
直流电桥电阻应变片式力测量系统原理及配置方案
直流电桥电阻应变片式力测量系统原理及配置方案作者：冯国涛来源：《中国科技博览》2018年第29期[摘要]厂机械以及零部件使用过程中必然会发生应力应变变化，对其这种变化的精确测量时设备使用的基础，电阻式应变片是测量应变的一种较为简易的装置，其测量值经过直流电桥电路，放大器，A/D转化器便可以实现测量从而实现对机械设备的监控。
[关键词]应变片电阻直流电桥放大器 A/D转化器中图分类号：S462 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）29-0031-01引言应变的测量线路一般采用电桥来完成，工程测量中，测量电桥有直流电桥和交流电桥两种接法。
由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的应变片阻值的变化测量出来。
在电桥后面必须接专门的放大电路。
由于直流放大器容易产生温漂，因此长期以来，应变测量电桥多采用交流电桥。
但交流电桥结构相对复杂，而采用可变增益放大器构成的直流电桥测量线路结构简单，可靠性高同时具有非常高的共模抑制比，从而很好地解决了直流电桥的温漂问题。
本文就应变一系列问题进行探讨与解决。
一、应变片工作原理以及型号选择电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料或者金属材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。
应变片材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。
应变片有很多种类。
一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。
电阻应变片的测量原理为：金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。
将金属丝粘贴在构件上，当构件受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。
Ks为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显着与否。
电阻应变计在电桥中的接线方法
测量电桥的特性及应用一、测量电桥的基本特性和温度补偿在结构强度的实验分析中，构件表面的应变测量主要是使用应变电测法，即将电阻应变计粘贴在构件表面，并正确地接入测量电路，从而得到构件表面的应变。
应变电测法的基本测量电路是电桥。
测量电桥是由应变计作为桥臂，作用是将应变计的电阻变化转化为电压或电流信号。
在测量时，将应变计粘贴在各种被测试件上，组成电桥，并利用电桥的特性提高读数应变的数值，或从复杂的受力构件中测出某一内力分量(如轴力、弯矩等)。
1. 测量电桥的基本特性设电桥的四个桥臂接上应变计,电阻分别为1234R R R R R ====(见图一)，如果桥臂电阻改变1234R R R R ∆∆∆∆、、、,则输出电压为： 0312412344i u R R R R u R R R R ⎛⎫∆∆∆∆=--+ ⎪⎝⎭(1)式中：0u 为电桥的桥压，i u 为电桥的输出电压。
若四个桥臂上的应变计的灵敏系数均为K ，即ii R K Rε∆=，则输出电压： ()012344i uu K εεεε=--+ (2)式中：1234εεεε、、、分别为应变计1234R R R R 、、、所感受的应变值。
应变仪的输出应变为：123404id u u Kεεεεε==--+ (3) 由式(3)可见，电桥有下列特性：(1)两相邻桥臂上应变计的应变相减。
即应变同号时，输出应变为两邻桥臂应变之图一 电桥差；异号时为两相邻桥臂应变之和。
(2) 两相对桥臂上应变计的应变相加。
即应变同号时，输出应变为两相对桥臂应变之和；异号时为两相对桥臂应变之差。
应变仪的输出应变实际上就是读数应变，所以合理地、巧妙地利用电桥特性，可以增大读数应变，并且可测出复杂受力杆件中的内力分量。
2. 温度的影响与补偿在测量时，被测构件和所粘贴的应变计的工作环境是具有一定温度的。
当温度发生变化时，应变计将产生热输出t ε。
显然，热输出t ε不包含结构因受载而产生的应变，即使结构处在不承载且无约束状态,t ε仍然存在。
静态电阻应变仪的使用和应变片在电桥中的接桥方法
静态电阻应变仪的使用和应变片 在电桥中的接桥方法
试验步骤 1、选片
①首先根据试验的材料性质及对试验结构应力分布梯度的 估计，选择电阻应变片的标距，根据工作条件选用应变片的 类型，包括形状、片基材料等。 ②检查应变片的外观及电阻值。外观有损伤或电阻值相差较 大的均不得选用。
2、粘结剂的选择
①抗剪强度高，能正确传递应力；②绝缘良好； ③变形能力大；④蠕变小；⑤粘贴固化工艺简单方便。
（2）确定应变片的准确位置
在试件表面上画出测点中心线，用十字画画出。注意要画 在处理过的表面范围以外。
静态电阻应变仪的使用和应变片 在电桥中的接桥方法
（3）涂胶贴片 在试件表面及应变片背面均匀涂上一层胶，按画 好的十字线贴好应变片，用手轻压，将多余的胶 和空气挤出，并按压一定时间，以使胶固化。 4、检查贴片质量 检查内容包括： ①电阻值；②绝缘电阻；③贴片位置。 5、焊接导线 6、作防潮、防水处理
静态电阻应变仪的使用和应变片 在电桥中的接桥方法
应变片的粘贴工艺
构件表面打磨 画出中心线 涂胶贴片 检查贴片质量
贴接线端子
焊接引出线
焊接导线
做防潮防水处理
静态电阻应变仪的使用和应变片 在电桥中的接桥方法
（二）半桥及全桥量测的 接桥方法 1、半桥单补
一个工作片R1接入AB 桥臂，BC桥臂接入温度 补偿片R，其它桥臂由 仪器内部连接，温度补 偿由温度补偿片单独补 偿。应变仪读数为构件 实际应变。 KU ΔU BD = ε1 4
3、全桥互补
四个工作片R1、 R2、 R3、 R4、全部接入桥 路，各个工作片间相互 补偿温度的影响。相邻 桥臂的应变片一正一 负，相对桥臂正负相 同。应变仪读数为构件 实际应变的4倍。
电阻应变片直流电桥测量电路攻略
在复杂的机械系统中，研究其功耗和性能，设计它们的结构以及研究各模块组间的润滑状态，测量各器件间的摩擦力等重要参数，多年来，一直被人们所重视。
由于机械内部运动复杂，环境恶劣，摩擦力相对很小，给测量带来了很大困难，如何精确地测量出这些数据就显得格外重要。
采用立创无线收发方式，利用传感器信号通过无线收发电路进行信号传输，可以先存储数据再把存储卡里面的数据读入到计算机进行分析，为复杂及数据要求精确的系统的数据采集提供了新的方法。
另外，在采集频率较高时，数据量比较大，这对采集系统中处理器处理速度、射频无线传输速度、接口传输速度、A/D 转换速度以及功耗等都有很高的要求，加上机械系统内部尺寸的限制，困难较大。
这样一来，数据采集电路板的设计成为该数据采集系统的关键，我们需要设计专门的数据采集和无线收发装置。
测量系统原理系统由传感器、电源、信号调理电路、信号处理电路和PC 机组成在实际测量时，传感器安装在运动件上，由于采用引线装置传递信号会限制机械部件的运动，因此可采用无线收发电路传输数据，也可采用存储方式进行数据采集，即先把数据保存到存储卡，数据采集完之后再拿出存储卡读入到计算机，测量系统原理如图1 所示。
气压传感器和应变片经过信号调理电路输出0～2.5V 的电压，可通过信号处理电路把模拟信号转化为数字信号再存入存储卡，热电偶经过信号调理电路输出12 位SPI 格式的数字信号，可由单片机直接把信号存入存储卡。
存储卡的容量应能保证采集信号的时间要求（在采集频率为3000Hz 时，选择512M以上的存储卡可保证采集时间不少于25 分钟）。
而该测量系统中电阻应变片直流电桥测量电路的设计是一个关键，下面我们将对这一部分进行详细的分析和设计。
电阻应变片直流电桥测量电路应变片调理电路由升压芯片（为芯片提供工作电压）、电压基准（稳压）、电桥、滤波、放大等部分组成，如图2 所示。
测量电路所选用应变片型号350-2AA，应变灵敏系数K=2.18（无量纲正数），名义电阻350Ω，丝栅尺寸：2×2mm；考虑到连杆体上空间小的特点，尽可能安装少量的传感器，因此采用直流单臂电桥来实现电阻到电压的转换。
自动化检测实验指导
自动化检测实验指导实验一应变片单臂、半桥、全桥特性比较一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成，一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
三、需用器件与单元：机头中的应变梁的应变片、测微头；显示面板中的F/V表(或电压表)、±2V～±10V步进可调直流稳压电源；调理电路面板中传感器输出单元中的箔式应变片、调理电1位数显万用表（自备）。
路单元中的电桥、差动放大器；42五、实验步骤：1位数显万用表2kΩ电阻档测量所有在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用42应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提梁的自由端）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况(标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片)。
如下图1—7所示。
图1—7观察应变片阻值变化情况示意图差动放大器调零点：按下图1—8示意接线。
将F／V表(或电压表)的量程切换开关切换到2V档，合上主、副电源开关，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转一点点(放大器的增益为最大，回转一点点的目的：电位器触点在根部估计会接触不良)，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示电压为零。
差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图1—8差放调零接线图3、应变片单臂电桥特性实验：⑴将±2V～±10V步进可调直流稳压电源切换到4V档，将主板上传感器输出单元中的箔式应变片(标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片)与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接±4V直流电源，另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端，将W1电位器、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中(W1电位器二固定端接电桥的±4V电源端、W1的活动端r电阻接电桥的输出端)，如图1—9示意接线(粗细曲线为连接线)。
测试技术-3.4 电阻应变片的测量电路
• 设桥臂比 n R2 / R，1 由于 并考虑到平衡条件
R1 = ，R1 分母中
R1可/ R忽1 略，
R2 / R1， R则4 / R式3 （3-33）可写为
•
(3-34)
• 电桥电压灵U敏o 度(1定nn义)2 为RR11 E
•
•
SU
Uo R1
n (1 n)2
E
(3-35)
R2
R3 R（3R43-42）
• 若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得
•
Uo
E 2
R1 R1
（3-43）
• 由式（3-43）可知，Uo与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无
非线性误差，而且电桥电压灵敏度 SU=E/2，是单臂工作时 的两倍，同时还具有温度补偿作用。
3.4 电阻应变片的测量电路
• 当E值确定后，n取何值时才能使 S最U 高。
• 由 dSU / dn 0求 的SU 最大值，得
•
dSU dn
1 n2 (1 n)3
0
（3-36）
3.4 电阻应变
确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最
高，此时有
3.4 电阻应变片的测量电路
• 3.4 电阻应变片的测量电路
• 3.4.1 直流电桥
• 1. 直流电桥平衡条件
• 电桥电路如图3-9所示，图中 E为电源电压，R1、R、2 R及3 R4
• 为桥臂电阻，RL 为负载电阻。当 RL→∞时，电桥输出电压 为
• •
Uo
E
R1 R1 R2
R3R3R（4 3-31）
压为
直流电桥的原理与应用步骤
直流电桥的原理与应用步骤一、直流电桥的原理直流电桥是一种测量电阻、电容、电感等元件的电路，其原理基于电桥平衡条件。
在电桥平衡时，电桥电路中的电压为零，可以通过调节电桥中的电阻或变化待测元件的电阻来实现平衡。
直流电桥的原理可以用以下几点来描述：1.电桥平衡条件：在电桥平衡时，电桥回路中的电压为零。
这意味着，电桥电路中的电阻比例满足特定的关系。
2.电桥电路构成：直流电桥由四个电阻组成，通常被称为“臂”。
两个电阻被称为“比例臂”，另外两个电阻被称为“样品臂”。
样品臂上连接待测元件。
3.平衡电桥的条件：为了实现电桥平衡，比例臂上的电阻比和样品臂上的电阻比需要满足特定条件。
4.测量未知电阻：通过调整比例臂上的电阻，直到电桥平衡，可以测量未知电阻。
二、直流电桥的应用步骤直流电桥经常被用于测量电阻、电容和电感等元件的值。
下面是使用直流电桥进行测量的一般步骤：1.准备工作：在开始测量之前，确保电桥电路中的电源已经接通，并且元件的接线正确。
2.调整平衡：根据实验要求，调整比例臂上的一个或多个电阻，以便在待测元件加入电路后，使整个电桥能够达到平衡状态。
3.连接待测元件：将待测元件正确地连接到样品臂上。
根据测量要求，可以连接电阻、电容或电感。
4.调节比例臂上的电阻：通过调节比例臂上的电阻，使整个电桥电路能够达到平衡状态。
调节比例臂上的电阻直到电桥电路中的电压为零。
5.测量结果：一旦电桥达到平衡状态，如果比例臂上的电阻发生了变化，那么久可以通过测量比例臂上的电阻变化来计算待测元件的值。
6.记录结果：记录测量结果，并做必要的单位转换。
确保记录准确并可靠。
7.分析和解释：分析测量结果，并根据实验要求解释测量结果的意义。
三、直流电桥的扩展应用除了测量电阻、电容和电感的值，直流电桥还可以扩展应用于其他方面，如：1.测量温度：使用热敏电阻或热电偶作为待测元件，直流电桥可以用来测量温度。
2.测量应变：使用应变片作为待测元件，直流电桥可以用来测量物体的应变。
电阻应变片在电桥中的接法和静态应变测量
(∵ 1p 2 p 3 p 4 p)。
除此之外，还有其他形式接成半桥和全桥，可自行设计练习。
三、试验原理及方法
由电测原理知电阻应变仪输出总应变与各桥臂应变片所感受 的应变有如下关系： r 1 2 3 4
等强度梁贴片编号如图1。
Ｒ1,2
Ｒ0
Ｒ3,4
图1 布片图
对于半桥接法：如应变片R1（正面受拉应变）与温度补偿片 R0接成半桥，另外半桥为应变仪内部固定电阻R，如图2（a）,
则应变仪输出应变为： r 1 2 = 1p T T 1p
r 1 2
电阻应变片在电桥中的接法和静态应变测量
如应变片R1与梁下表面应变片R2（反面受压应变）接成半 桥，另外半桥仍为应变仪内部固定桥臂电阻，如图2（b）,则 应变仪输ห้องสมุดไป่ตู้应变为：
r 1 2 = 1p T ( 2 p T ) 1p 2 p 21p ，(∵1p 2 p )
电阻应变片在电桥中的接法和静态应变测量
（a） r 1p
（b） r 21p (c) r 41p
图2 应变片的接桥
等强度梁（等应力梁）是按等强度的原则设计的一种 变截面悬臂梁（除梁身外，还有底座、支架、和加载机构）， 当对其施加载荷时，可在梁身的上下表面产生一个均匀的单 向应力场，实验中除用电测法可测出其应变外，还可根据材 料力学知识计算出理论值，两者进行比较。
电阻应变片在电桥中的接法和静态应变测量电阻应变片在电桥中的接法和静态应变测量应变片的接桥等强度梁等应力梁是按等强度的原则设计的一种变截面悬臂梁除梁身外还有底座支架和加载机构当对其施加载荷时可在梁身的上下表面产生一个均匀的单向应力场实验中除用电测法可测出其应变外还可根据材料力学知识计算出理论值两者进行比较
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电阻应变片直流电桥测量电路的攻略
在复杂的机械系统中，研究其功耗和性能，设计它们的结构以及研究
各模块组间的润滑状态，测量各器件间的摩擦力等重要参数，多年来，一直被
人们所重视。
由于机械内部运动复杂，环境恶劣，摩擦力相对很小，给测量带
来了很大困难，如何精确地测量出这些数据就显得格外重要。
采用无线收发方式，利用传感器信号通过无线收发电路进行信号传输，
可以先存储数据再把存储卡里面的数据读入到计算机进行分析，为复杂及数据
要求精确的系统的数据采集提供了新的方法。
另外，在采集频率较高时，数据
量比较大，这对采集系统中处理器处理速度、射频无线传输速度、接口传输速度、A/D转换速度以及功耗等都有很高的要求，加上机械系统内部尺寸的限制，困难较大。
这样一来，数据采集电路板的设计成为该数据采集系统的关键，我
们需要设计专门的数据采集和无线收发装置。
测量系统原理
系统由传感器、电源、信号调理电路、信号处理电路和PC机组成在实
际测量时，传感器安装在运动件上，由于采用引线装置传递信号会限制机械部
件的运动，因此可采用无线收发电路传输数据，也可采用存储方式进行数据采集，即先把数据保存到存储卡，数据采集完之后再拿出存储卡读入到计算机，
测量系统原理如气压传感器和应变片经过信号调理电路输出0～2.5V的电压，可通过信号处理电路把模拟信号转化为数字信号再存入存储卡，热电偶经
过信号调理电路输出12位SPI格式的数字信号，可由单片机直接把信号存入
存储卡。
存储卡的容量应能保证采集信号的时间要求(在采集频率为3000Hz时，选择512M以上的存储卡可保证采集时间不少于25分钟)。
而该测量系统中电
阻应变片直流电桥测量电路的设计是一个关键，下面我们将对这一部分进行详。