基于虛擬儀器的應變測量原理分析

1 應變測量原理
半導體應變片可用于應力測量和應力分析，以及作為各種傳感器的力一電轉換元件，它基于金屬絲在受拉或受壓后發(fā)生彈性形變，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應的變化這一物理特性實(shí)現的。
在金屬絲變形的彈性范圍內，電阻的相對變化△R／R與應變△L／L成正比，因而△R／R=K△L／L。其中，K為電阻應變片的靈敏系數。用應變片測量應變或應力時(shí)，是將應變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形，粘貼在其表面上的應變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應變片的電阻也發(fā)生相應的變化。當壓力F在一定范圍內時(shí)，應變εx以一個(gè)常數正比于F。

式中：L為兩孔中心距的50％；E為梁的彈性模量；b為梁的寬度；h為孔上下最薄處的厚度。
如圖1所示，在雙孔梁的上下兩端面分別對應孔的頂端處貼上電阻應變片，將它們按圖1(b)所示的方式組成全橋測量電路。這種橋式測量電路，可以靈敏地測量極微小的電阻變化。當彈性體受物體作用時(shí)，彈性體便產(chǎn)生彈性形變，粘在其表面的電阻應變片則隨其同步變形，因而改變了它們的電阻值。由于電阻應變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應變片的電阻變化會(huì )引起電橋的不平衡，因而輸出電壓信號，該信號與梁端的受力F成正比。

當力F使單個(gè)應變片的電阻變化△R時(shí)，全橋測量電路的輸出電壓U0=U△R／R。應變測試過(guò)程如圖2所示。

其中，信號調理電路包括信號放大和濾波，其作用是對信號進(jìn)行必要的調理。如果選用NI公司具有信號調理模塊的數據采集卡，則不必再另外設計信號調理電路。本文選用LabJack公司的U12數據采集卡作為數據采集設備，設計信號調理電路。

2 應變片選用——BP型半導體應變片
BP型半導體應變片可用于應力測量和應力分析，并作為各種傳感器的力-電轉換元件。它們具有靈敏度高(比金屬應變片大50～100倍左右)，機械滯后小，體積小，耗電少等優(yōu)點(diǎn)。其高的靈敏度使輸出信號電平增大幾十倍，所以不必采用放大器而直接用電壓表或示波器等簡(jiǎn)單儀表就可以直接記錄測量結果，因而使得測量?jì)x表大為簡(jiǎn)化；再加上它的機械滯后小，可以測量靜態(tài)應變、低頻應變等，在許多新技術(shù)中，如火箭、導彈、飛機等制造工業(yè)及遙測系統中，半導體應變片具有獨特的應用價(jià)值。
BP-6-120型半導體應變片技術(shù)參數：
硅絲尺寸為6mm×0．4 mm×0．05 mm；基底尺寸為10 mm x 6 mm；靈敏系數120；電阻溫度系數小于0．2％；靈敏度溫度系數小于0．16％；允許工作電流25 mA；允許最大應變2 000με；極限工作溫度100℃。

3 信號濾波電路
從應變片組成的電橋電路中出來(lái)的電壓信號通常會(huì )伴隨著(zhù)噪聲、振動(dòng)等于擾，為了得到較為準確的低頻應變信號，在將采集到的應變信號送到計算機之前，需要進(jìn)行濾波處理。雙二階環(huán)濾波電路利用兩個(gè)以上的加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據要求的傳遞函數，引入適當的反饋，構成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩定，并可實(shí)現多種濾波功能，這里使用低通濾波。具體電路如圖3所示。

構成低頻濾波器時(shí)，電路固有頻率和通帶增益如下：

4．1 電阻片的溫度效應
電阻片由金屬材料制成，它的阻值隨著(zhù)溫度的變化也將產(chǎn)生變化。另外，由于試件和電阻材片的線(xiàn)性膨脹系數不同，從而會(huì )使電阻片的阻值發(fā)生變化。溫度變化引起的電阻變化是客觀(guān)存在的，但不希望在測量結果中反映出來(lái)。