基于应变片的应力测量电路分析

朱浩铭 蒋正忠

摘  要：文章分析了一种基于电阻应变片的应力测量理论测量电路。为降低实际测量中环境温度对测量结果的影响，文章进一步研究了测量电路的温度补偿措施。文中将理论应力测试和温度补偿方法相结合，给应力测试的实际操作提供了一套具有较高参考价值思路。

关键词：应变片;放大电路;应变;应力测量

中图分类号：TG115.26         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）17-0054-02

Abstract： In this paper， a theoretical measurement circuit of stress measurement based on resistance strain gauge is analyzed. In order to reduce the influence of ambient temperature on the measurement results， the temperature compensation measures of the measuring circuit are further studied in this paper. In this paper， the combination of theoretical stress measurement and temperature compensation method provides a set of ideas with reference value for the practical operation of stress testing.

Keywords： strain gauge; amplifying circuit; strain; stress measurement

在机械工程领域的研究与应用当中，对于测量机械材料所受的应力需要的传感器则经常需要用到电阻式应变片。如何合理的运用电阻式应变片进行实际测试会对应力测量结果的准确性产生重大影响，因此对电阻式应变片测试方法的分析是实际测试工作实施的前提和保证。

1 应力测量原理

1.1 应变片的结构

如图1所示为电阻式应变片的基本结构。应变片是由基底、敏感栅、覆盖层、粘合层和引出线等部分组成。基底的材料一般有纸、胶膜、玻璃纤维等[1]，其作用是当被测试元器件受到力而产生应变时能不失真地传递到敏感栅上。敏感栅一般由细小的合金金属丝制成。常见的敏感栅制作材料有康铜、镍铬合金、铁镍铬合金或是铁铬铝合金等，敏感栅材料的一般要求：电阻率ρ和材料特有的灵敏系数K应尽可能高且温度系数较小。覆盖层处于敏感栅的上方，其作用是保护敏感栅。敏感栅的两头焊有引出线，以便应变片与外部电路相连。

将应变片的粘合层贴在被测元器件上，应变片与精密电阻一起构成一个电桥，根据应变片与电阻的个数，电桥有成全桥、半桥和1/4桥。由于电桥能有效的对被测机械元器件的应变引起的电阻变化转化为电压变化，从而能运用到应变测量中[2]。

1.2 放大器的结构

应变片的阻值变化引起的电压变化比较小，此电压变化通常为毫伏级，不容易进行观测。所以通常需要对其进行放大。在本设计中，拟用一个如图2所示的三运放差动放大电路对原始信号进行放大。在图2中，R0为可调电阻，U4、U5作为电路的输入端，通过串联另一个运算放大器A3作为减法器构成差分输入的三运放差动放大电路[3]。

2 测量电路分析

2.1 变送电路

前述的电桥电路，如图3（b）所示，其中基本的电压输出公式为：

如将图3（b）电桥中的四个电阻全改为应变片，则电桥为差动全桥式的测量电路。若按图3（a）所示方式安装各应变片，其中R1与R3靠近，R1、R3分别在R2、R4的正上方。此时令R1、R2、R3、R4相等，当被测构件为纯弯曲变形时，则ΔR1、ΔR2、ΔR3与ΔR4的数值相等，此时电桥的输出值为如（4）式所示。

通过对比 （2）、（3）、（4）式，发现，1/4桥、半桥与全桥这三种不同的应变测量方式明显的不同效果。随着电路中应变片的增加，电路的负载性能随之得到增强，进而使测量系统的灵敏度依次得到提升。由此可得，电桥中应变片个数的增加，更有利于获得可靠的应变测量结果。

通过将图3（b）的桥电路与图2的放大电路整合，得到如图4所示的一个应变感应与信号调理的完整信号获取系统。由于图4所示的应变感应桥电路往往输出的是毫伏级的电压，在实际测量中，图4中的U3的数值值往往是通过模数转换器获取，由于每一种特定的模数转换器都有自己的测量量程，因此，将图4系统运用于实际测量时，应充分考虑其中的桥电路输出电压与用于测量U3的模数转换器的量程来合理的设定该电路中运算放大电路的增益。

2.2 温度误差与补偿

在使用应变片作为电阻式传感器进行应变测量时，由于受到实际测量环境的影响，电阻因自身的热效应，出现电阻随着温度的变化而产生变化的现象，从而影响了测量结果的准确性[4]。电阻与温度的关系一般为：

在（5）式中，Rt为温度为t时的电阻值;R0为温度为t0时的电阻值;α为电阻的温度系数;Δt为温度的变化值。故，在实际情况下应变片的实际电阻应为：

在（6）式中，Rs为应变片实际电阻;R为应变片初始电阻;ΔR为收到应变力后电阻变化的值;ΔRt为温度引起的电阻变化的值。由上述分析可知，实际测量时应对测量电路进行温度补偿。温度补偿常用的办法如图5。

（1）自补偿法：即通过利用两个温度系数α不同的材料（其通常温度系数互为相反数，但数值一样）串联在一起做成敏感栅。这两段敏感栅设定为Rx和Ry，当温度产生变化时，Rx和Ry所产生的电阻的变化量为ΔRx和ΔRy，它们的大小相等，符号却相反从而互相抵消，以此达到所要的温度补偿的要求。

（2）电路补偿法：这种方法也叫热敏电阻补偿法，其结构如图5所示。R6为热敏电阻（选取温度系数为负值），R5为分流电阻。其原理是：将热敏电阻与应变片放置于同一工作環境当中，在应变片工作遇到温度升高时，R6的阻值下降，应变片的灵敏度上升，其结果就是保持电桥输出不变，补偿了温度带来的输出电压的实际值与理想值中的偏差。

3 结束语

文中分析了应变测量电路的测试原理，分析了桥电路与运算放大电路的合理整合方式。为尽量避免环境温度对测试结果的影响，文中进一步讨论了测试电路的温度补偿办法。理论上通过文中分析的将理论电桥、放大电路、温度补偿电路相结合，应可以获得较理想的应力测量结果，这对应力测量实验的实际实施具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]夏义全，牟志平.应变片压力传感器变送电路的设计[J].科技资讯，2007（32）：59.

[2]程晓晓.基于应变片的动平衡机测试系统的研究设计[D].重庆大学，2011.

[3]范伟，蒋少茵，余卿.应变式电子测力系统设计[J].黑龙江科技学院学报，2011，21（05）：400-403+417.

[4]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京航空航天大学出版社，2016.