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如何實現(xiàn)應(yīng)變規(guī)測量（NI）

摘要： 如何實現(xiàn)應(yīng)變規(guī)測量

關(guān)鍵詞： 應(yīng)變 NI

Abstract：

Key words :

應(yīng)變及應(yīng)變規(guī)概述

應(yīng)變是施加于物體的作用力對物體造成形變的大小。更確切地講，應(yīng)變可定義為長度的微小變化，如圖1。

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圖1.應(yīng)變的定義

雖然應(yīng)變測量有多種方法,，最常用的方法是采用應(yīng)變規(guī)，它的電阻隨產(chǎn)生的應(yīng)變成正比變化。最常用的應(yīng)變規(guī)是膠合金屬應(yīng)變規(guī),。

金屬應(yīng)變規(guī)由極細(xì)的引線組成，更常見的則是由柵格狀的金屬薄片組成,。柵格的形式使得金屬引線或薄片在平行的方向上最大程度地跟隨應(yīng)變發(fā)生變化（圖2）,。柵格粘在稱之為載體的薄襯底上，并直接與被測試件連接,。因此,，被測試件產(chǎn)生的應(yīng)變直接反映在應(yīng)變規(guī)上，使得應(yīng)變規(guī)電阻值產(chǎn)生線性變化,。市面上有售的應(yīng)變規(guī)阻值在30歐到3000歐,，最常見的阻值分別是：120、350,、1000 Ω,。

圖2. 膠合金屬應(yīng)變規(guī)

典型傳感器引腳

實際應(yīng)用中，應(yīng)變測量很少會出現(xiàn)大于幾毫的應(yīng)變（e x 10^-3）,，因此,，進(jìn)行應(yīng)變測量必須能夠精確測量極微小的電阻值變化,。為了測量如此微小的電阻變化，應(yīng)變規(guī)幾乎都采用帶電壓激勵的電橋形式,。普通的惠斯通電橋,，如圖3.，由4條電阻橋臂及作用于整個電橋的激勵電壓V_EX組成,，

圖3.惠斯通電橋配置

電橋輸出電壓V_O表達(dá)式如下：

從此方程看出,，當(dāng)R₁/R₂ = R₄/R₃時，電壓輸出V_O為零,。在這種條件下,，稱電橋處于平衡狀態(tài)。此時任意橋臂上電阻值的變化都將使電橋電壓輸出不為零,。

因此,，如果把圖3中的R₄ 替換為應(yīng)變規(guī)，應(yīng)變規(guī)電阻值的變化將使電橋處于非平衡狀態(tài),，從而電壓輸出非零,。如果應(yīng)變規(guī)的理想電阻值為R_G，那么應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化DR可以表示為DR = R_G*GF*e,。設(shè)R₁ = R₂ ,、R₃ = R_G，以上的電橋方程可重寫為V_O/V_EX對應(yīng)變的函數(shù)（見圖4）,。注意1/(1+GF*e/2) 項,，表示1/4橋與應(yīng)變相關(guān)的輸出非線性變化。

圖4. 1/4橋電路

理想狀態(tài)下,，我們希望應(yīng)變規(guī)的電阻僅在存在應(yīng)變時才產(chǎn)生變化,。然而，應(yīng)變規(guī)材料及被測試件材料還同時對溫度的變化敏感,。應(yīng)變規(guī)制造商試圖通過處理應(yīng)變規(guī)材料來補(bǔ)償被測試件產(chǎn)生的熱膨脹,，以此將應(yīng)變規(guī)對溫度的敏感降至最低。但補(bǔ)償僅能夠降低應(yīng)變規(guī)對溫度的敏感度,，卻不能完全消除溫度影響,。

通過在電橋中采用2個應(yīng)變規(guī)，能夠進(jìn)一步降低溫度的影響,。舉例來說,，圖5顯示的應(yīng)變規(guī)配置中，1個應(yīng)變規(guī)(R_G+ DR)處于工作狀態(tài),，及另一個應(yīng)變規(guī)與其橫向放置,。因此，應(yīng)變在第二個應(yīng)變規(guī)上幾乎不產(chǎn)生影響，稱其為補(bǔ)償規(guī),。然而,，溫度的變化對兩組應(yīng)變規(guī)的影響相同。由于對兩組應(yīng)變規(guī)來說溫度變化相同,，因此電阻值比例與電壓V_O并不發(fā)生變化,，從而溫度的影響被降低了。

圖5. 采用補(bǔ)償規(guī)消除溫度影響

當(dāng)半橋中有兩個工作應(yīng)變規(guī)時,，能夠?qū)㈦姌驅(qū)?yīng)變的靈敏度提高一倍,。舉例來說，圖6顯示的彎曲梁應(yīng)用中,，一組應(yīng)變規(guī)感應(yīng)張力(R_G + DR),，另一組應(yīng)變規(guī)感應(yīng)壓力(R_G - DR)。這一半橋配置的電路圖同樣顯示于圖6中,，它的輸出電壓為線性的,，且輸出電壓約為1/4電橋的2倍。