双恒流源应变测试

　　0　引　　言

　　由于箔式应变计的灵敏度很低,普遍使用惠斯顿电桥进行应变测量。但是,随着电桥平衡的破坏,电桥的输出电压与应变片电阻变化值不再成线性关系[1]。在单片测量时,当应变量达到5000με时,该非线性误差将达到0.5%,而通常的应变测试,被测应变量很可能超过5000με。存在初读数时,测量误差还可能更大。尽管单片测量时,只要在测量前调好平衡,该非线性误差是可以修正的,但修正计算很麻烦。如果是半桥测量或全桥测量,当各片的应变输出没有固定关系时,测量误差将很难被修正[2]。因此,双恒流源应变测试方法,在很早就有人提出了,因为它没有恒压供桥时的非线性问题。

　　1　恒压电桥的非线性

　　如图1如示的恒压电桥,输出电压为:

　　电桥平衡时,输出电压应为零。当某一桥臂电阻阻值变化时,输出电压也相应变化[3]。为简化起见,设初始平衡时为等臂电桥,即R1=R2=R3=R4=R,测试时,R1增加为R+ΔR1,R2增加为R+ΔR2,这时的输出电压为:

如果应变片的灵敏系数为K,则应变片的测试应变为

显然,当ε1=-ε2时,非线性误差将自动抵消,而这正是半桥测试的大多数情形。同样分析可知,各种传感器组成的全桥电路,如果相邻桥臂的应变输出正负对称,使用恒压桥也不会出现非线性误差。电桥初始不平衡时,引起的测试误差与上述情况相同,但这时反映为灵敏度误差。

　　2　单恒流源应变测试

　　理论上,对于单片测量或半桥测量,可以使用单恒流源应变测试电路进行应变测量。测量电路见图2。由于应变片的电阻变化主要由两部分组成:温度变化引起的电阻变化(通常称为温度应变)和变形引起的电阻应变(实际应变引起的电阻变化),所以,R2是必须的。当进行单片测量时R1是测量片,R2即是温度补偿片,而当进行半桥测量时,R1和R2都是测量片。分别测出R1和R2的电阻相对变化量,其差值即是应变测量值的K倍(半桥时为2K倍)。K即为应变片的灵敏系数。

使用高精度电压表,可以分别测出R1两端的电压变化和R2两端的电压变化,从而计算出R1和R2的电阻相对变化量。然而,欲达到1微应变(10-6)的测量精度,必须使用7位半的数字电压表,这对大多数应用场合是不可取的,因此必须借助桥式电路,以降低对测量仪表的要求。

　　3　双恒流源应变测试原理

　　增加一个相同的恒流源,就组成了双恒流源桥式电路,如图3所示。测出a、b两端的电压差,就可测出R1、R2的电阻相对变化量,从而可得到被测应变量。设R1=R2=R,在R1增加为R+ΔR1,R2增加为R+ΔR2的情况下,a、b两端的电压差为: