应变采集的基础知识
所谓应变片,是指利用电阻随着伸缩而变化的原理采集应变量的仪器。那么,电阻变化是如何被捕捉的呢?下面将进一步深入挖掘应变采集。
应变采集中必需的电桥电路
将细微的电阻变化转换成大的电压变化而捕捉的电路就是惠斯通电桥电路。
(在应变采集中简称“电桥”。)
电桥电路如<图1>所示,将4个电阻连接为四角形而形成。
从电路下方施加E(V)电压后,若上述4个电阻的电阻值相同,则A点与B点的电压相等,输出电压Eo为A与B的差,即为零。
下面,如<图2>所示,将其中的1个电阻替换为应变片。
应变片的电阻与其他3个电阻的电阻值相同时,如<图1>所示,输出电压Eo为0 V。向应变片施加应变而使电阻值发生⊿R变化时,平衡将被打破,A点与B点间将产生电压差。通过采集此电压差来计算应变。
总结
输出电压Eo与应变ε的关系如下所示。
根据Eo = (1/4) × (⊿R/R) × E...(式7)
⊿R/R = 比例常数(应变系数)K × ε(式6)
,
Eo = 1/4 × K × ε × E...(式8)
由此,将应变量换算为电压。
输出电压与应变量的关系
以上述示例进行说明。
应变系数K一般大约为2,因此设为2.00,外加电压设为2.00 V时,
应变ε与输出电压Eo根据(式8)为
Eo = 1/4 × 2.00 × ε × 2.00 V
Eo = ε
因此1000 μST的应变量在采集仪中的读取值(= 电压值)变为1000 μV(1 mV)。
应变片的粘贴
以下是实践篇。将粘贴应变片并进行实际采集。请准备合适的金属板和应变片后阅读下文。采集仪以基恩士的动态应变采集仪NR-ST04为例进行说明。
预处理
应变片的粘贴位置上若有生锈或涂层,会导致应变片与金属板间发生滑动而无法准确采集,因此需要准备适合粘贴的表面。
- 用打磨机、喷砂机等使金属素材面露出
- 为了加工平整面,将稍大于应变片面积的表面部分,用
砂纸(#200到300左右)进行打磨 - 将清洁布浸入丙酮,对
研磨面进行脱脂、清洁,直至表面不沾污渍
粘贴定位
使用4H左右的铅笔在应变片粘贴位置,划出十字标记,以准确地识别中心与方向。
应变片的粘贴
在应变片背面滴下适量的粘合剂,沿着划线粘贴应变片。使用应变片制造商提供的专用粘合剂。
利用聚乙烯片抵压状态下用手指从上按下1分钟左右。
等待粘合剂硬化后进行采集。
如何辨别应变片的背面?
表面有焊接的引线。图形也清晰可见。
背面是薄膜的平整面。能够透视图形。
采集仪的配线与设定
引线的固定
采集中发生引线移动是产生采集误差的重要原因,因此需要使用胶带、扎带等将应变片引线无压力地固定在应变片主机上。
采集仪的配线
采集仪以基恩士的动态应变采集仪NR-ST04为例进行说明。在CH1的A/・、C/・端子分别连接从应变片引出的2根引线。不具有正/负极性。请确认采集仪前面的第1个DIP开关处于OFF状态,第2到第5个处于ON状态。
采集设定
基恩士的动态应变采集仪NR-ST04,除了通过采集仪主机进行采集外,还可利用USB连接PC进行采集。下面将分为连接PC的情况与直接由主机采集的情况共两种情况对采集所需设定进行说明。
连接PC后采集时的设定示例
- 点击采集设定
- 选择输入范围“±2000 μST”,点击“下一步”。
- 将采样周期设为“1 ms”,点击“结束”。
- 开始采集前,为补正粘贴应变片时产生的细微歪曲,点击自动平衡按钮。
- 点击开始采集。
通过主机直接采集时的设定示例
- 按下菜单键,显示“采集与显示”画面后选择“采集设定”。选择“模块与各通道的设定”,进行单元“ST04”输入通道设定。按下F1键,返回采集设定。
- 选择收集条件设定,将采样周期设为“1 ms”。按下MENU键,然后按下F1键确定设定。
- 在“初始调整”选择“自动平衡”并设定自动平衡,然后按下MENU键开始运行。
- 按下START/STOP键。
向应变片施加应变后波形是否发生了变化?