如何实现应变规测量（NI）-AET-电子技术应用

如何实现应变规测量（NI）

摘要： 如何实现应变规测量

关键词： 应变 NI

Abstract：

Key words :

应变及应变规概述

应变是施加于物体的作用力对物体造成形变的大小。更确切地讲，应变可定义为长度的微小变化，如图1。

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图1.应变的定义

虽然应变测量有多种方法，最常用的方法是采用应变规，它的电阻随产生的应变成正比变化。最常用的应变规是胶合金属应变规。

金属应变规由极细的引线组成，更常见的则是由栅格状的金属薄片组成。栅格的形式使得金属引线或薄片在平行的方向上最大程度地跟随应变发生变化（图2）。栅格粘在称之为载体的薄衬底上，并直接与被测试件连接。因此，被测试件产生的应变直接反映在应变规上，使得应变规电阻值产生线性变化。市面上有售的应变规阻值在30欧到3000欧，最常见的阻值分别是：120、350、1000 Ω。

图2. 胶合金属应变规

典型传感器引脚

实际应用中，应变测量很少会出现大于几毫的应变（e x 10^-3），因此，进行应变测量必须能够精确测量极微小的电阻值变化。为了测量如此微小的电阻变化，应变规几乎都采用带电压激励的电桥形式。普通的惠斯通电桥，如图3.，由4条电阻桥臂及作用于整个电桥的激励电压V_EX组成，

图3.惠斯通电桥配置

电桥输出电压V_O表达式如下：

从此方程看出，当R₁/R₂ = R₄/R₃时，电压输出V_O为零。在这种条件下，称电桥处于平衡状态。此时任意桥臂上电阻值的变化都将使电桥电压输出不为零。

因此，如果把图3中的R₄ 替换为应变规，应变规电阻值的变化将使电桥处于非平衡状态，从而电压输出非零。如果应变规的理想电阻值为R_G，那么应变产生的电阻变化DR可以表示为DR = R_G*GF*e。设R₁ = R₂ 、R₃ = R_G，以上的电桥方程可重写为V_O/V_EX对应变的函数（见图4）。注意1/(1+GF*e/2) 项，表示1/4桥与应变相关的输出非线性变化。

图4. 1/4桥电路

理想状态下，我们希望应变规的电阻仅在存在应变时才产生变化。然而，应变规材料及被测试件材料还同时对温度的变化敏感。应变规制造商试图通过处理应变规材料来补偿被测试件产生的热膨胀，以此将应变规对温度的敏感降至最低。但补偿仅能够降低应变规对温度的敏感度，却不能完全消除温度影响。

通过在电桥中采用2个应变规，能够进一步降低温度的影响。举例来说，图5显示的应变规配置中，1个应变规(R_G+ DR)处于工作状态，及另一个应变规与其横向放置。因此，应变在第二个应变规上几乎不产生影响，称其为补偿规。然而，温度的变化对两组应变规的影响相同。由于对两组应变规来说温度变化相同，因此电阻值比例与电压V_O并不发生变化，从而温度的影响被降低了。