双恒流源应变测量与恒压电桥应变测量电路的分析

1、】987年9月 第19卷第3期Sept. 1987Vol#19 No#3南京航空学院学报Journal of Nanjing Aeronautical Institute© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved h(tp:/7wki.nel© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved h(tp:/7wki.nel© 19

2、94-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved h(tp:/7wki.nel双恒流源应变测量与恒压电桥应变测量电路的分析妹陶宝祺王妮摘 要目荊电阻应变片的测量电路及传感器中的变换电路大都采用恒压电桥电路，近 年来，国外仪器中有采用収恆流源电路的，为此，本文对两种电路的优缺点及应用 范田作了分析，並讨论了双恒流源电路的应用及线路补偿等冋題.关键词：应变测量，应变传感器，取惶流源电路，线路补偿。：.应:变测抠中的恒压电桥电路如图1所示，假如AB柝臂接工作应变片&；弓C桥咄接温一、

3、两种电路在应变测量中的比较度补偿片旦阻值相同,即7?1 = 7?2 = 7?； CD和DA 桥臂接扁同电阻，即用3 = 2 =左，电桥的供桥电压为 9即；应变片，灵敏系'数为K.由于构件应变6使得工作 应变片的电阻増加/尺 这时电桥的输出电压为1 /R 72 R )(1) 将应变和电阻变化率之间的关系dR/R=Ke代入上式 后可得-妬=-：°K£(l+*K£)r(2)%图1恒压电桥电路式（1）和式（2）表明,恒压电桥的输出电压H.与应变片的电阻变化率2JR/R （或应变 ）成非 线性关系. . ./电阻应变片的电阻值不可能完全相等，为此必须在恒压电柝电路中

4、增加电阻禺和电位 器心，调节&可使电桥输出为零，见图2。设调节电位器几在某一位置，电位器左边电阻为叫肌,右边电阻为玛几（坷+力=1人 根据星形、三角形电路转换，在AB桥臂上并联的电限值为. 本文于1986年12月31日收到。二U二 T :,4© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved h(tp:/7wki.nel双恒流源应变测扯与恒压电桥应变测51电路的分析#用=山尺6+当与应变片电阻/?并联后的电阻值为如果应变片的电阻值由/?变化至R+/R,则此时桥臂

5、电 阻为黒一 （R+/Q（叭+譽） 7?+/?+如7?6+n2图2电桥调零电路R = R：-R；=-I 2R+/RMR桥曹电阻的变化为双恒流源应变测扯与恒压电桥应变测51电路的分析#双恒流源应变测扯与恒压电桥应变测51电路的分析67当尺6调节至极限位置山=0时，桥臂的电阻变化为/凤=.2R+/R倔莊网"R1十圧十（FA式（3）和式（4）表明，恒压电桥电路中增加零位调节电阻，电桥输出灵敏度降低，且灵敏度随着零位调节电阻值的改变而变化；恒压电桥输出非线性增大.恒流源电路中通过负载（应变片电阻）的电流不变.图3是应变测运用的双晅流源测虽图3双恒流源电路电路.图中凡是工作应变片的阻值.尺2是

6、温度补偿片的 阻值.假如两个恒流源的电流分别为人和A, AB两端的 电压"肋=八尺1, AD两端的电压为uad=I2R2.又假设测 鈕仪器的内阻很高，图中用开路表示，这样BD两端的电 压为Ubd = Uab AD I 122当工作应变片的电限由E变化至R+/R“则上式为”0D = /1(R1 + /R1)<22考虑温度补偿，釆用两个相同的恒流源，即/l = /2 = /o,同时采用相同规格和阻值的电 阻应变片，即R = /?2 = R由于工作应变片和补偿应变片处在同一温度场中，当外界温度 变化时，两应变片电阻变化均为価,代入式（5）得到”8q=/o（R+/E + N2? J/（

7、）（/?+/?）.=13 RI（6）或uDDI0RKe（7）但是考虑到同一规格应变片的阻值不可能完全相同，为此在双恒流源电路中增加可调电 位器亿.见图4。测虽时，先调节凡，使得1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h(lp:/Avwv.cr)ki.T尺1 + "此 土&+ (l "l)Re(8)图4双恒流源调零电路此时，双恒流源电路输岀为零.由于构件应变£,使工作应变片阻值增加4R,这 时双恒流源电路的输出为如°=/o(

8、«i+ZR+“此)人&+(将式(8)代入上式得到或hdd=IqPKe上式表明，采用图4双恒流源电路进行测量时，零位關节电阻对测:S结果无影响.下而比较应变片测疑时采用恒压电桥电路和双恒流源电路的优缺点。1. 采用恒压电桥电路时，输出电压与应变片的电阻变化率4R【R (或应变)成非 线性关系。只有在小应变时，才近似成线性关系。采用双恒流源电路时，输出电压切D与应 变片电阻变化值成线性关系。在这一点上，它优于恒压电桥电路。线性系败为IqRK, 其中厶和K为定值，电阻值/?在粘贴后也是定值.由于应变片阻值在出厂时就与名义值 有差异，用粘结剂粘贴和固化处理后，阻值也会改变，这样就造成

9、每个应变片的线性系数不 相同，在多点测量时，它们的差异就成为测量误差.要楕确地测丑应变，必须在测虽前，测 岀每个应变片粘贴后的阻值，然后算岀每个应变片的线性系数，对测星结果进行修正。目前 先进的多点巡回测量仪器，具有对应变片阻值差异修正的功能，因此，国外有采用双恒流源 测量电路的.2. 恒压电桥电路的输出电压与电阻相对变化率4RIR有关，采用不同阻值的电阻 应变片(则不变时)，对输岀电压无影响。双恒流源电路的输出电压"加与电阻变化值 有关，也就是与Ke/?有关，采用高阻值应变片的输出就大，采用低阻值的应变片的输岀 就小.3. 电阻应变片有一个最大工作电流/祁的限制，当通过的电流大于时

10、，应变片 的性能要变坏.采用恒圧电桥电路，当其中一个应变片电阻变化时，如果R4R,则电桥的输岀 电压为Ui 4 F由图1可见，当应变片通过工作电流I祁,又R3=R4=H=R时，电桥电源回路中的电流 为2/心，电源电压为坯=2仁，代入上式得Ui(9)采用双恒流源电路，使应变片也通过最大工作电流g,当应变片的阻值变化/尺时，BD端 的输出电压为Urd=Iz/R(10)由式(9)和式(10)可见，当应变片通过最大工作电流时，采用双恒流电路的输出比恒压 电桥电路的输出大一倍.站二小4在恒压电桥电路中，根揭测试仪表的内阻，可以分成电流桥、电压桥、功率桥等，它们输出的灵敏度不同，但非线性不变。双恒流源电路

11、要求测试仪表内阻大或放大器输入端(11)内阻大，否则会出现非线性.如测试仪表内阻为 见图5 ,这时工作应变片的电阻值由7?变化至R + 4R, 其输出电压为由上式可见，测试仪表的内阻Ro越小时，输岀电圧越图5双恒流源电胳的负载.小，且非线性也越严垂。5.在恒压电桥电路中，加入零点调节电路后（图2所示），当电位器仇的触点调节 在不同位置肘，电桥的输出灵敏度不相同，并使得输出电压与应变之间的非线性増加，因而 调节范围受到限制.在双恒流源电路中加入零点调节电路（图4所示），对输岀灵敏度没有影响，并且不出现非线性，且调节范围大.二、双恒流源电路在应变式传感器中妁应用图6（）是一个测虽轴力的柱式传感器，

12、在它的圆柱杆弹性元件上粘贴了四个应变片两 个沿着轴线方向，另两个沿着周向，将四个应变片接成图6（b）的双恒流源电路，如果各个应T双恒流源应变测扯与恒压电桥应变测51电路的分析#双恒流源应变测扯与恒压电桥应变测51电路的分析69图6柱式传感器及測盘电路变片电阻分别变化/Ri、处、处、处,则BD端的输出电压为.(12)("0=厶（/?1 /尺3 + /尺4） ”0D=/oRK（eis5+氐）假设圆柱杆弹性元件的轴向应变为匕则6=%=®周向应变为£2=5=“®代入式（13）得到BD端的输出为:'、"bd=2/o/?K（1+“）£式中

13、卩弹性元件材料的泊桑比。角Wki .net如呆弾性元件的弹性模虽是E,戳面积是4则它承受的力为P=AEe代入上式得 © 1994-2012 China Academi去招帝紺!°百侄（?<5勇ib（?shing House. All rights reserved双恒流源应变测量与恒压电桥应变测虽电路的分析71式(14)表明，釆用双恒流源电路时，输出电压®o与作用在传感器上的力值成正比关系. 如果将图中的四个应变片接成恒压电桥电路.如图6(c),这时的输出电压为，(l+“)"oKe 1.2i + 2(l/z)7Cs假如恻柱枉弹性元件的泊桑比/-0.

14、X应变片的灵敏系数K = 2,这时上式为 11 %=13除-帀丽上式表明，號出电压叫与圆柱杆弹性元件上的轴向应变£之间是非线性关系，非线性度为y=2.8s在表1中列岀弹性元件在不同轴向应变值下的非线性度。i.!'表1圆柱式拉压传感器用恒压电桥电路时的非线性度弹性元件轴向应变£(微应变) 11000200030004000Hi桥输出电压尙mV/V1.302.603905.20非线性度卩0.280.560.84M2如果在圆柱忏弹性元件上粘贴八个应变片，四个沿着轴线方向，四个沿着横向，见 图7(a).接成图7(6)的双恒流源电路，则BD端的输出电压为0(/斤1一/尺2-/

15、尺3+/尺4 + /出一/出一/出 + /出)(16)粘贴八个应变片的柱式传感器段7由上式可知，在弹性元件上粘贴八个应变片的力偉感器比四个应变片的力傳感诙旳囲辙爛理 高一倍.为了提高传感器的性能，还必须进行线路补偿，如图8所示。其中尺是温度补偿电阻，丿 ， 、-7?).是非线性补偿，乩是灵敏系数补偿电阻.< ；-溫:度补偿电阻R 可以用:不站贴在弹性刑件£：的髙'电阻嶽度系数的铜Bhdlo合金 丝绕制而成.如果测定出传感器在补偿前温度变化时的输出电压为"二可以计算得到补偿电阻值为(18)式中补偿金属丝的电阻温度系数。非线性补偿电阻局一般采用半导体电阻片或镰电阻

16、片，两者的应变灵敏系数都较高， 并且有非线性，将它们粘贴在弹性元件上的适当位置。并联电阻必，调节尺；的值，即可调 节非线性的补偿程度.灵敏度的调整方法是在应变片两端并联灵敏度补偿电阻乩】、R：2,肖两个恒流源中应变 片的阻值分别增加和时，这时BD端的输出为r/iR/R? 爲蹩屮瓷+(知+(】+刼鬻 (19) 灵敏度调整鈕不大时，R=R,2R,这时上式括号内分母中的后两项可以忽路，BD端的 输岀电压可近似写成(20)打Zo(z/?1z/?2)l+2R7由上式可见，在应变片两端并联电阻乩后，输出灵敏度下降倍，即(21)式(20)和式(21)告诉我们，在采用应变片两端并联电阻的方法调整灵敏系数时，会

17、引起输出 与电阻增皇的非线性。但当调整蜃不大时，这个非线性疑也不大.结束语由以上分析可见，双恒流源电路具有线性好、输出电压高和零点调节范围大等一系列优 点，适用于作为应变式传感器的变换电路。由于它的输出灵敏度与应变片的初始阻值人有 关，而应变测量时，每个应变片的阻值斤都与名义值有差异，如果不加以修正，就会造成 误差.目前先进的应变测虽仪器，有釆用双恒流源变换电路的，这种仪器带有微处理机，能在 测试前自动检测各应变片的阻值，给出每个应变片的系数IRK值，测试完后进行数据处理。参 考 文 献11吴宗岱，陶宝祺主编：应变电测原理与技术，第三章，国防工业部出版社,An Analysis of Stra

18、in Measuring Circuits ofTwin-Constant Current Source and Constant-Voltage-BridgeTao Baoqi Wang N'AbstractConstant-voltage-bridges are widely used in strain gage measuring circuits. Recently, twin-const ant-current source has been used abroad in some instruments. In this paper, the advantages and disadvantages of both circuits and the applica