CN103925868A

CN103925868A - 一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪

Info

Publication number: CN103925868A
Application number: CN201410185375.XA
Authority: CN
Inventors: 王鸿雁; 王骁; 田昀; 王秀红; 常艳
Original assignee: QINHUANGDAO BEIDAIHE LAND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: QINHUANGDAO BEIDAIHE LAND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-05-05
Filing date: 2014-05-05
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2034-05-05
Also published as: CN103925868B

Abstract

本发明公开了一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪，通过在测量计算方法中消除了长导线电阻对惠司登电桥测量的影响，使其在电阻应变仪带有长导线的测量中，不需要考虑长导线对测量数据的影响。从根本上消除长导线电阻对惠司登电桥测量的影响并应用到电阻应变仪中。解决了现有技术很难彻底消除长导线电阻对惠司登电桥测量的影响问题。新型电阻应变仪不再考虑导线的长短和导线电阻的大小，只要在测量范围内，导线电阻对测量精度没有影响。

Description

一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪

技术领域

本发明涉及惠司登电桥测量技术。具体地说是一种根据惠司登电桥测量原理，通过测量后的计算方法，实现彻底消除长导线电阻对惠司登电桥测量的影响，进而设计出一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪。

背景技术

利用惠司登电桥测量物理量是应用最为广泛的测量方法，涉及到工业、科技及国民经济的许多领域。电阻应变仪是利用惠司登电桥测量原理测量物体应变值的典型仪器。

目前广泛应用的电阻应变仪，是利用应变片组成的惠司登电桥进行测量。应变片和应变仪之间的导线电阻串连在桥臂上，导线的加长使导线的电阻不可忽略，给应变片的测量值引入了误差。由于组桥方式和连接方式不同，引起误差的大小也不同。

众所周知，目前广泛应用的电阻应变仪在测量中，长导线电阻的影响是不可避免的，这早已被理论和实践所证明。因此采取各种措施对长导线电阻的影响进行修正。但是，由于导线的物理性质的差异、温度变化对导线电阻的影响等因素，使修正的结果很难彻底消除测量误差。下面是电桥单臂测量、半桥测量和全桥测量三种方式在引入长导线时的误差分析：

1、是以惠司登电桥单臂测量方法，在单臂电桥电路中，以Rl为工作应变片，灵敏系数为K，r为连接工作应变片两端的单根长导线的电阻，R2、R3、R4为应变仪内置的标准电阻，在等臂电桥中，R=R1=R2=R3=R4。由此可知，当导线长度为零时，则r=0，AB桥臂工作应变片的电阻相对变化为ΔR／R，ΔR是应变片产生应变时增加的电阻值，测点处真实的应变值ε为：

当导线长度不为零时，则r≠0，AB桥臂工作应变片的电阻相对变化为ΔR／(Rl+2r)，测点处读数的应变值ε _r为：

很明显，长导线的接入降低了灵敏系数K值。

设降低后的灵敏系数为K′,其降低程度为：

其测量误差约为：-2r/R。

2、半桥测量

半桥测量可分为半桥三线制和半桥四线制，长导线接入后，半桥四线制的修正系数及误差同单臂测量。半桥三线制测量的误差约为：-r/R。

3、全桥测量

长导线接入后，全桥四线制测量的误差约为：-2r/R。

下面是电阻应变仪在实际应用中，长导线电阻对测量数据的影响：

电阻应变仪在实际应用中，是通过测量惠司登电桥的输出电压来计算被测的应变值。具体做法是，在组成惠司登电桥后，首先对惠司登电桥进行平衡调节，在电子调节平衡的电阻应变仪器中，将没有产生应变时惠司登电桥的电压输出值作为平衡零点记录在仪器中，然后再进行应变测量。长导线接入后也是如此。

以惠司登电桥单臂测量为例，如果应变片没有产生应变，应变片电阻值没有变化，则ΔR₁=0，电桥输出Ｕ _O1由下式表示：

上式中：E是电桥输入电压，是已知常数。

将电桥输出Ｕ _O1值作为平衡零点记录在仪器中。

如果应变片产生的应变使应变片电阻值变化了ΔR₂，则电桥输出Ｕ _O2由下式表示：

将（1）式、（4）式和（5）式综合，求出应变值ε。

从（6）式看出，要得到应变值ε，不但要测得Ｕ _O1和Ｕ _O2的值，还必须知道导线电阻r的值。

通过长导线对测量精度影响的分析，以及电阻应变仪在实际应用中也得出了相同的结论：只有在已知长导线电阻阻值的前提下，才可以对长导线带来的测量误差进行修正。

利用惠司登电桥测量原理组成的应变仪，测量精度高，应用广泛。但是，许多测量中长导线接入电桥是不可避免的，因为电桥或电桥的某些桥臂与仪器之间的距离不能无限接近。因此，上述的结论在实际使用中，尤其是在高精度测量中会带来一些问题：

1、需要准确的知道接入电桥的导线电阻阻值，才能获得精确的测量数据，否则会带来测量误差。

2、如果不知道导线电阻阻值，就需要准确测量导线电阻，这样会给实际使用增加难度。例如桥臂电阻是120Ω，仪器测量误差小于0.01%，则导线电阻的误差要小于0.006Ω，小电阻的测量是比较困难的。

3、导线内有电流通过，就会产生热功，随着时间的增长，导线温度就会升高，导线电阻的阻值也会随温度的变化而变化，它将引起灵敏系数K的变化产生测量误差，无法通过重新平衡零点或温度补偿片进行修正。

4、导线与仪器连接时会产生接触电阻，上例中如果接触电阻达到0.006Ω时，也会产生0.01%的测量误差。而且接触电阻更难测量。

发明内容

鉴于上述现状，本发明旨在解决惠司登电桥测量中长导线接入电桥带来的测量误差，而提供一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪，消除了长导线电阻对惠司登电桥测量的影响。

本发明的技术方案是：一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪，包括由应变片RX1与电阻R1、R17、R18组成第一通道的惠司登电桥，电桥输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的1脚和5脚，第N个通道由应变片RX16与电阻R16、R17、R18组成惠司登电桥，其输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的20脚和5脚，IC1通过27脚、28脚和31脚分别与IC3的25脚、24脚和23脚相连，将IC1测得的电桥输出电压值传送给IC3，由IC3分别对测量值依据公式进行计算，得到各个通道的应变值,IC3通过30脚、31脚和32脚分别与IC2的1脚、4脚和2、3脚相连，将应变值传送到IC2中，并通过IC2的6脚和7脚传送到RS485总线上,由电脑接收总线数据，完成最终测量。

本发明中的测量方法所涉及的应变值的公式为：

其中，ε是惠司登电桥组成单臂桥时计算的应变值，K是惠司登电桥中应变片的灵敏系数，E是惠司登电桥的输入电压，Ｕ _O1是测得的惠司登电桥平衡零点的输出值，Ｕ _O2是测得的惠司登电桥单臂产生应变时电桥的输出值。

进一步地，电阻应变仪的测量方法中，用一个或多个电桥单臂测量应变值，用另一个或多个电桥单臂测量应变片的温度补偿值，测得的应变值减去温度补偿值就得到实际的应变值，不考虑导线电阻的影响，在配置导线长度时可以任意。

进一步地，包括利用两个通道的电桥单臂对半桥四线制的应变值进行测量，其中一个电桥单臂测量正应变值，另一个电桥单臂测量负应变值，测得的正应变值减去测得的负应变值就得到实际的应变值，不考虑导线电阻的影响。

进一步地，所涉及的电阻应变仪为单通道，或是多通道。

本发明的测量方法，在电阻应变仪中采用了的计算方法是消除了长导线电阻对惠司登电桥测量的影响，使其在电阻应变仪带有长导线的测量中，不需要考虑长导线对测量数据的影响。

进一步地，应变值的公式中去掉惠司登电桥中导线电阻r，使测量方法的计算中不含有导线电阻r。这样，就消除了导线电阻r对测量结果的影响。

本发明具有的积极效果是：基于改进后的测量方法制成的一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪，在测量中从根本上上消除了惠司登电桥在常规测量中长导线接入电桥后带来的测量误差，并制造出没有长导线影响的新型电阻应变仪。这个结论的重要性是在实际应用中，尤其是在高精度测量中带来的一些棘手的问题得到了解决。另外，需要对多个测量通道同时进行温度补偿时，将其它测量通道的应变值分别减去温度补偿值就得到各个测量通道实际的应变值，也不用考虑导线电阻的影响，在配置导线长度时可以任意。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图实施例，对本发明作进一步说明。

见图1给出的16通道没有长导线电阻影响的电阻应变仪的电路原理图。它是根据公式（8）的理论设计的16通道电阻应变仪。图1中RX1是第一通道的应变片，它与电阻R1、R17、R18组成第一通道的惠司登电桥。电桥输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的1脚（AIN1）和5脚（AINCOM）。同理，第二通道由应变片RX2与电阻R2、R17、R18组成惠司登电桥，其输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的2脚（AIN2）和5脚（AINCOM）。直至第十六通道由应变片RX16与电阻R16、R17、R18组成惠司登电桥，其输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的20脚（AIN16）和5脚（AINCOM）。IC1通过27脚、28脚和31脚分别与IC3的25脚、24脚和23脚相连，将IC1测得的电桥输出电压值传送给IC3，由IC3分别对测量值依据公式（8）进行计算，得到各个通道的应变值。IC3通过30脚、31脚和32脚分别与IC2的1脚、4脚和2、3脚相连，将应变值传送到IC2中，并通过IC2的6脚和7脚传送到RS485总线上，由电脑接收总线数据，完成最终测量。

本发明的测量方法：

以惠司登电桥单臂测量为例，公式（6）表述了应变ε与电桥平衡零点Ｕ _O1、电桥输出Ｕ _O2和导线电阻r之间的关系，更一般地可以表示为:ε=f(Ｕ _O1,Ｕ _O2,r)的函数关系。

下面引入无穷小的概念。在电桥平衡零点Ｕ _O1中，将ΔR₁看做无穷小，ΔR₁→0且ΔR₁≠0，也就是说，ΔR₁无限接近于零且不等于零。

由于ΔR₁是无穷小，Ｕ _O1仍然是电桥平衡零点，没有改变Ｕ _O1的性质。Ｕ _O2是电桥产生真实应变时电桥的输出电压值。则真实的应变值ε为：

在（8）式中，应变值由电桥平衡零点Ｕ _O1和电桥产生真实应变时电桥的输出Ｕ _O2得到，导线电阻r不存在了。得到了结论：新的电阻应变仪从理论上消除了长导线电阻对测量结果的影响。

应变测量时温度补偿功能的应用：

改进后的电阻应变仪用一个电桥单臂测量应变值，用另一个电桥单臂测量应变片的温度补偿值，测得的应变值减去温度补偿值就得到实际的应变值，不用考虑导线电阻的影响。需要对多个测量通道同时进行温度补偿时，将其它测量通道的应变值分别减去温度补偿值就得到各个测量通道实际的应变值，也不用考虑导线电阻的影响，在配置导线长度时可以随意。在电阻应变仪的实际使用中，导线不会选择无限长，需要给出导线电阻r的阻值范围。

电阻应变仪利用两个通道的电桥单臂可以对半桥四线制的应变值进行测量，用其中一个通道的电桥单臂测量正应变值，用另一个通道的电桥单臂测量负应变值，测得的正应变值减去测得的负应变值就得到实际的应变值，不用考虑导线电阻的影响。

根据上述应用特点，所涉及的电阻应变仪为单通道，或是多通道。

Claims

1.一种没有长导线电阻影响的电阻应变仪，其特征是，应变片RX1与电阻R1、R17、R18组成第一通道的惠司登电桥,电桥输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的1脚和5脚,第N个通道由应变片RX16与电阻R16、R17、R18组成惠司登电桥，其输入电压E由VB与地端接入，电桥输出电压Ｕ _O分别接入集成电路IC1的20脚和5脚,IC1通过27脚、28脚和31脚分别与IC3的25脚、24脚和23脚相连，将IC1测得的电桥输出电压值传送给IC3，由IC3分别对测量值依据应变值公式进行计算，得到各个通道的应变值,IC3通过30脚、31脚和32脚分别与IC2的1脚、4脚和2、3脚相连，将应变值传送到IC2中，并通过IC2的6脚和7脚传送到RS485总线上。

2.用于权利要求1所述的没有长导线电阻影响的电阻应变仪的测量方法，其特征是，应变值的公式是：

3.根据权利要求2所述的没有长导线电阻影响的电阻应变仪的测量方法，其特征是，用一个或多个电桥单臂测量应变值，用另一个或多个电桥单臂测量应变片的温度补偿值，测得的应变值减去温度补偿值就得到实际的应变值，不考虑导线电阻的影响，在配置导线长度时可以任意。

4.根据权利要求2所述的没有长导线电阻影响的电阻应变仪的测量方法，其特征是，包括利用两个通道的电桥单臂对半桥四线制的应变值进行测量，其中一个电桥单臂测量正应变值，另一个电桥单臂测量负应变值，测得的正应变值减去测得的负应变值就得到实际的应变值，不考虑导线电阻的影响。

5.根据权利要求1所述的没有长导线电阻影响的电阻应变仪，其特征是，电阻应变仪为单通道，或是多通道。