使用应变计进行应变测量

应变测量

应变通常使用应变计测量。应变计的工作原理是测量物体在轴向力、弯曲力、剪切力或扭转力作用下的电阻。由于在施加力时电阻与设备中的应变量成正比，因此可用于量化应变。应用最广泛的应变计是粘结金属应变计。金属应变计的组成材料是一根极细的金属丝，但更常见的是栅状金属箔。栅状结构可最大化平行方向上受到应变的金属丝或金属箔的数量。栅状结构粘贴在一块称为载体的薄板上，薄板直接与测试样本连接。因此，测试样本所经受的应变直接传输到应变计，电阻随之发生线性变化。

图3.金属栅的电阻变化与测试样本所承受的应变成正比。

应变计最重要的参数为应变计因子(GF)，用于表示应变灵敏度。GF是电阻变化百分比与长度或者长度（应变）变化百分比的比率：

金属应变计的GF通常约为2。通过传感器厂商或相关文档可获取应变计的实际GF。

事实上，应变测量值很少大于毫数量级(e x  10^-3)。因此，进行应变测量时，必须对电阻中的细微变化进行精确测量。例如，假设测试样本承受的应变为500 me。GF为2的应变计的电阻变化仅为2(500  x  10^-6)= 0.1%。对于120 Ω的应变计，变化值为0.12 Ω。

为测量电阻中如此细微的变化，应变计应采用惠斯通电桥配置。如图4所示，常见的惠斯通电桥由四个相互连接的阻力臂和施加于电桥的激励电压VEX组成。

图4. 应变计采用惠斯通电桥电路配置，可检测电阻的细微变化。

惠斯通电桥等价于两个并联的分压器电路。R₁和R₂为一个分压器电路，R₄和R₃为另一个分压器电路。惠斯通电桥输出Vo测量的是两个分压器的中间节点之间的电压。

从上面的等式中可以发现，当R₁/R₂ = R₄/R₃时，电压输出V_O为0。在这些条件下，我们认为电桥处于平衡状态。任何电桥臂的任何电阻变化都会产生非零输出电压。因此，如果将图4中的R₄替换为有源应变计，那么应变计电阻的任何变化都会使电桥失去平衡，并产生一个非零输出电压，该电压为应力的函数。

选择合适的应变计

应变计类型

1/4桥、半桥和全桥这三种应变计配置的选择取决于惠斯通电桥中的有源元件数目、应变计方向和被测应变类型。

1/4桥电应变计

配置类型I

• 测量轴向应变或弯曲应变
• 需要一个无源1/4桥补全电阻（称为补偿电阻）
• 需要半桥补全电阻来完成惠斯通电桥
• R4是测量拉伸应变(+ε)的有源应变计

图5. 1/4桥应变计配置。

配置类型II

理想情况下，应变计电阻应仅随外加应变而变化。然而，应变计材料和使用应变计进行测量的样本材料会受到温度变化的影响。1/4桥应变计配置类型II在桥中采用两个应变计，有助于进一步减小温度的影响。如图6所示，通常一个应变计(R4)是有源的，而另一个应变计(R3)安装在靠近热接触点的位置，但不粘贴在样本上，并且垂直于应变的主轴。因此，应力对该补偿应变计的影响很小，但是任何的温度变化都会以相同方式影响两个应变计。由于两个应变计的温度变化是同步的，两者之间的电阻比值不会发生变化，输出电压(Vo)亦无变化，从而使温度的影响降至最低。

图6. 补偿应变计可更大程度降低应变测量中温度的影响。

半桥应变计

通过把半桥配置中的两个应变计设为有源，能够将桥对应变的灵敏度提升一倍。

应变计的信号调理

应变计测量十分复杂，并且有几个因素会对测量性能造成影响。因此，您需要正确地选择和使用桥、信号调理、布线和DAQ组件，来保证测量结果的可靠性。例如，没有施加应变时，使用应变计所诱发的电阻容差和应变会导致一定的初始电压偏移。同样地，较长的导线可能增加电桥臂的电阻，这就造成偏移误差增加，并降低电桥输出的敏感度。 为了获得准确的应变测量结果，请考虑是否需要采用以下操作：

• 使用桥补全电阻，可补全1/4桥和半桥应变计电路
• 提供激励，可为惠斯通桥电路供电
• 遥感探测，可补偿长导线的激励电压误差
• 放大，可提高测量精度和信噪比
• 滤波，可去除外部高频噪声
• 偏移归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
• 分流校准，可根据已知的预期值验证桥的输出

要了解如何补偿这些误差以及应变测量的其他硬件注意事项，请下载工程师精确传感器测量指南。

将应变传感器连接至NI硬件

在了解传感器或测试需求后，就需要决定采集数据所需的硬件。 采集硬件的质量决定了所采集数据的质量。

NI提供一系列应变/桥测量硬件来采集应变数据，且与各种应变计传感器兼容。