电阻应力测试技术的应用及主要误差分析与修正

2018-06-22唐仕林

现代制造技术与装备 2018年5期

关键词：电桥电阻值端电压

唐仕林

（国家建筑城建机械质量监督检验中心，长沙 410013）

电阻应力测试方法是一种应用较多的电测技术，它是通过连接电桥中的测试电阻应变片电阻值的变化，测量电桥输出端电压的变化，通过相应的换算关系，最终获得测量构件的应力变化值。

1 测试系统组成

电阻测试系统主要由传感器、连接导线、测试仪器和数据处理软件等组成。

1.1 传感器

电阻应力测试中的传感器即是电阻应变片，它由敏感栅、引线、黏合剂、覆盖层和基底组成，如图1所示。

图1 应变片

1.2 连接导线

连接导线用于应变片和测试仪之间的信号传递。试验时，一端焊接在接线端子上与敏感栅连接，一端连接测量仪对应接线端。

1.3 测量仪

测量仪中包括测量电路和放大电路，接收来自应变片的电阻值变化，转换成电压输出，通过放大电路得到准确的测量值。

1.4 数据处理软件

电脑上安装相应的数据处理软件（UCS-60B），电脑与测试仪连接，可设置相应通信接口参数，测试所选用的应变片参数及待测构件的物理特性数据。

2 测试系统的主要误差因素

在整个测试系统中，每个环节都有可能对测试过程带来误差，其中长连接导线电阻和环境温度变化所带来的影响最为关键与普遍。对于其影响进行评估后，在测试过程中需要进行修正。下面对其修正过程进行推导。

2.1 连接导线电阻修正

连接导线用于连接电阻应变片和测试仪之间的电路，传递应变片的电阻值变化信号。在塔式起重机应力测试中，最长的连接导线长度达到100m，导线本身的电阻也是不可以忽略的一部分，这部分导线电阻同样接入桥臂中，对测试结果的影响是无法忽略的。

图2 桥式测量电路

采用图2所示的测量电桥，E为输入电压，R3、R4为固定桥臂的电阻，R1为工作应变片，R2为补偿应变片，Rd1，Rd2，Rd3为导线电阻值，Rt1为并联电阻，Rt2为调零电位器电阻，U0输出端电压。连接导线采用三芯屏蔽导线，长度保证相同，因此有Rd1=Rd2=Rd3。通过调节Rt2调零电阻，使得R3/R4=（R1+Rd1)/（R2+Rd2）=1，调零完成，此时的电桥灵敏度也是最高的。

选用和工作片R1完全相同补偿片R2，将R2贴在工作片R1同一构件位置上，与R1方向保持垂直，工作片R1的电阻变化值记为∆R1，补偿片R2的电阻变化值记为∆R2，两应变片方向垂直，因此∆R2=-μ∆R1，μ为材料泊松比。

构件加载前，应变片电阻为初始值，电桥输出端电压为零。当工作片R1电阻值变为R1+∆R1，补偿片R2的电阻值为R2+∆R2=R2－μ∆R1，电桥输出端U0为：

在合理测试范围内，应变片电阻值的相对变化量∆R1/R1与构件应变变化量是呈线性的，令∆R1/R1=Kε，K为应变片灵敏度系数。

从式（3）可以看出，应变计算公式中消除了线性误差，导线电阻导致的误差也得以修正，使得测试精度得到提高。

2.2 温度变化补偿

电阻应变片的敏感栅是细金属丝成栅构成，它的电阻值同样受温度的影响，尤其是在测试中温度变化较大的情况下，人们不得不将温度的影响考虑进来。为了消除温度变化带来的影响，人们可利用电桥具有的加减特性来进行温度补偿。采用两个参数一样的电阻应变片，放在同一温度环境中，分别接入AB、BC桥路中，则电桥的输出因为两个应变片同样的温度变化值∆Rt而得到补偿，如图3（a）所示。目前多采用补偿片补偿和工作片补偿两种方法。