應(yīng)變測量淺析(三):電阻型應(yīng)變片的原理和仿真(二)

(接上文)

上文中對金屬導(dǎo)體應(yīng)變-電阻關(guān)系的簡單推導(dǎo)和仿真驗證了應(yīng)變片的基礎(chǔ)原理,但在實際應(yīng)用中,如此之小的電阻變化是很難采集的。例如應(yīng)變通常在千分之幾甚至更低测秸,電阻變化率的數(shù)量級也與此相仿。而測量儀器的精度往往在量程的千分之一左右(萬分之一精度的儀器也不難找灾常,但比較貴)霎冯,也就是說,儀器的分辨率和測量目標(biāo)基本在同一數(shù)量級上钞瀑,最多小一個數(shù)量級肃晚。這樣的測量精度是很差的。我們通過以下幾個辦法來解決這個困難:

1)將金屬絲彎成柵狀仔戈,盡可能在有限面積里提高電阻(增大壓降)关串。

2)利用惠斯通電橋,更精確地測量應(yīng)變片的電阻變化监徘。

3)通過放大器進(jìn)一步放大從電橋輸出端采集到的電壓數(shù)據(jù)晋修。

其中第2項是最為重要的——惠斯通電橋大名鼎鼎,是精準(zhǔn)測量電阻的神器凰盔,關(guān)于其原理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)俯拾即是墓卦,倒是很少見到通過FEA去仿真一個電橋中的應(yīng)變片的案例。我覺得不妨建個模型看看户敬,反正也不是想研究什么深刻問題落剪,只圖有趣。

惠斯通電橋的電路圖和仿真模型的全貌如下:


金屬箔式應(yīng)變片的惠斯通電橋原理圖和FEA模型


惠斯通電橋輸入端電壓保持3.0V尿庐。無應(yīng)變時忠怖,應(yīng)變片和3個外電路電阻的阻值相同,電橋處于平衡狀態(tài)(輸出電壓為0)抄瑟。沿應(yīng)變片的測量方向?qū)Ρ粶y物體施加最高至0.01的單軸應(yīng)變\varepsilon凡泣,監(jiān)控電橋輸出端及應(yīng)變片兩端的電壓變化趨勢,結(jié)果如下:


(a)惠斯通電橋輸出端電壓以及(b)應(yīng)變片兩端電壓與被測物體應(yīng)變的關(guān)系


可以看到電橋的輸出電壓從0線性上升到12mV皮假,應(yīng)變片的端電壓從1500mV線性上升到1512mV鞋拟,電壓變化量的絕對值幾乎沒有區(qū)別∪亲剩可為什么通過惠斯通電橋可以測得更準(zhǔn)呢贺纲?

答案還是在儀器的量程上。直接測量應(yīng)變片的端電壓變化褪测,我們需要使用一個量程>1500mV的電壓表猴誊,其精度大約是0.1~1mV左右潦刃。而測量電橋電壓只需要一個量程>1.2mV的電壓表,其精度可以輕松達(dá)到1μV甚至100nV稠肘,測量結(jié)果自然要準(zhǔn)確很多福铅。

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