导线电阻引起应变测量的误差分析及其补偿电路

1、导线电阻引起应变测量误差分析及其补偿电路摘要：分析了全桥和半桥式应变测量电路中导线电阻引起测量误差的原 因，并根据分析结果提出了一种传感器供桥电压自动补偿电路，以消除 导线电阻引起的测量误差。关键词：应变测量；桥式电路；补偿电路；测量误差1概述应变片电测技术就是利用电阻应变片或由应变片制成的传感器对应 力、应变、拉压力、位移、液体压力等物理量进行电测量的一种专门技 术。它广泛应用于公路桥梁检测、地基沉陷和土压测量及筑路机械性能 参数的测量中，其测量误差大小直接影响到桥梁、道路和机械参数的真 实性和准确性，从而导致错误的分析和判断。在应变测量电路中，应变 片或传感器与测量放大器用导线连接，由于连

2、接导线具有一定的电阻， 因此会引起测量误差，当连接导线较长时，这种误差往往很大而不能被 忽略，例如，在桥梁检测中导线可能长达上千米。 而本文分析结果表明, 当导线长300m时引起的测量误差将超过20%鉴于测量误差的重要性， 本文在分析了导线电阻引起测量误差的基础上，提出了一种简单有效的 消除这种误差的电桥电路。2导线电阻引起的误差分析电桥电路具有测量精度高、抗干扰能力强等优点，更重要的是把应 变片接成电桥电路可以消除温度变化产生的测量误差，因而得到广泛应 用。以下将分别讨论由导线电阻引起的全桥及半桥电路的测量误差。 2.1 全桥电路全桥电路的接法如图1实线部分所示。图中R、艮、R、F4为测量应

3、 变片，r为连接导线的等效电阻，庆为测量放大器提供的供桥电压， 为电桥的实际工作电压。在不考虑导线电阻 r的影响时，电桥输出给测 量放大器的电压图1全桥电路接法当考虑到导线电阻r的影响时，电桥的实际工作电压Sw = r R 2/ 左 _ g + RJg + 他）=（尺+ 碍+兄）电桥的输出电压为由于电桥与测量放大器之间的导线电阻 r远远小于放大器的输入阻 抗，因而可以忽略不计导线电阻r对放大器输入的影响，故在考虑到连 接导线电阻r的影响时，全桥测量电路测量放大器的电压可表示如下：从公式（1）、（2）可以得出导线电阻r引起全桥测量电路的相对误差X 100% =3半桥电路半桥测量电路接法如图2所示

4、。图中R、F2是由应变片组成的测量 半桥，且Ri=F2=RR、F4是由测量放大器内置标准电阻组成的补充电桥， r为连接导线的等效电阻。由于 BB之间的导线电阻r与放大器的输入 阻抗串联，且r远远小于放大器的输入阻抗，这种情况 BB导线上的电 阻可以忽略。此时，如果不考虑导线电阻 r的影响，则电桥的输出电压fl图2半桥电路接法如果考虑到导线电阻r的影响，则电桥的输出电压为弧费=亠出一昨4 i. /CL + rfit + rf_ tAc/ “尺一 尺八由公式(6)、(7)可得半桥测量电路导线电阻引起的测量误差为X 100%(8)在考虑导线电阻的影响时，半桥测量电路输出电压公式(7)可以写成叱讯 I

5、心】3尺匸(9)40,此时，传感器工作电压补偿电路自动增大输出电压， 直至 U=0,使传感器或测量桥臂的工作电压等于测量放大器的供桥电 压，从而保证传感器的输出电压不会因为导线电阻 r的存在而发生变化, 消除了导线电阻r引起的测量误差。5试验及讨论图4和图5仅给出了传感器工作电压自动补偿电路的原理图，并未 给出实际电路，笔者根据这一原理制作了一套实用电路。表1是用加有工作电压自动补偿电路的应变放大器所做的一组对比试验。从表中的试 验数据可以看出，在未加自动补偿电路时，导线电阻引起的测量误差与 理论分析基本一致，当导线长 300m电阻r值为1 528 Q时，引起全桥 电路的测量误差大于20%而对

6、于加有传感器工作电压自动补偿电路的 应变仪来说，当导线长300m时，引起的测量误差小于0.4%。这一结果 充分说明文中所述的测量电路可以基本上消除由导线电阻引起的测量误 差。表1导线电阻引起的测量误差试验数据（全桥电路）上述测量电路仅能消除电线电阻引起的测量误差，并不能完全消除 导线电容引起的测量误差，从理论上讲，导线电容引起的测量误差随着 导线的增长及供桥电压频率的增高而增大。由于导线电容引起的测量误 差不易从电路上消除，在实际测量过程中一般采用系统标定的方法来修 正由导线电容引起的测量误差。如果无法进行系统标定，则应尽量减少 连接导线的长度，或直接选用供桥电压为直流的应变仪，这样就可以减 少或消除导线电容引起