CN105241372A - 消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，包括全桥惠斯通电桥、触点开关K1、触点开关K2以及两个标定电阻R0；全桥惠斯通电桥的第一输入端A通过导线与触点开关K1的静触点S0连接，第一输入端A还通过标定电阻R0与触点开关K1的静触点S1连接，触点开关K1的动触点S2接电源E；全桥惠斯通电桥的第二输入端B通过导线与触点开关K2的静触点S4连接，第二输入端B还通过标定电阻R0与触点电开关K2的静触点S3连接，触点开关K2的动触点S5接地；能够有效消除导线电阻对应变测量结果的影响，大大提高应变测量的精度。

Description

消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种测量系统及测量方法，尤其涉及一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统及方法。

背景技术

惠斯通电桥是应用最为广泛的电阻应变测量方法，其中，全桥惠斯通电桥常应用于应变测量，但是，现有技术中，全桥惠斯通电桥在测量应变过程中，元件之间的导线存在着电阻，当各元件之间的导线较短时，导线电阻较小，从而对测量结果影响较小，但是，当导线较长时，导线电阻将对测量结果产生巨大影响，使得应变测量结果产生较大误差，而目前还没有有效的手段来解决上述问题。

因此，需要提出一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，能够有效消除导线电阻应变测量结果的影响，大大提高应变测量的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，能够有效消除导线电阻应变测量结果的影响，大大提高应变测量的精度。

本发明提供的一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，包括全桥惠斯通电桥、触点开关K1、触点开关K2以及两个标定电阻R0；

全桥惠斯通电桥的第一输入端A通过导线与触点开关K1的静触点S0连接，第一输入端A还通过标定电阻R0与触点开关K1的静触点S1连接，触点开关K1的动触点S2接电源E；

全桥惠斯通电桥的第二输入端B通过导线与触点开关K2的静触点S4连接，第二输入端B还通过标定电阻R0与触点电开关K2的静触点S3连接，触点开关K2的动触点S5接地。

进一步，所述全桥惠斯通电桥由应变电阻R1、应变电阻R2、应变电阻R3以及应变电阻R4顺次连接形成；

其中，应变电阻R1和应变电阻R4的公共连接点形成第一输入端A；

应变电阻R2和应变电阻R3的公共连接点形成第二输入端B；

应变电阻R1和应变电阻R2的公共连接点为全桥惠斯通电桥的输出端C，应变电阻R3和电阻R4的公共连接点为全桥惠斯通电桥的输出端D。

相应地，本发明提出了一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量方法，包括如下步骤：

a.建立全桥惠斯通电桥测量应变的模型如下：其中，ε为待测应变，U为输出电压，E为输入电压，K为应变灵敏系数，r为导线电阻，R为应变电阻的阻值；

b.将触点开关K1的动触点S2与静触点S1接触连接，将触点开关K2的动触点S5与静触点S3接触连接，并测量当前全桥惠斯通电桥的输入电压E0和输出电压U0，并可得出如下公式：

$\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r+2r_0}{R})=\frac{\mathrm{\Δ}R2-\mathrm{\Δ}R1+\mathrm{\Δ}R4-\mathrm{\Δ}R3}{4R}---\left(2\right),$ 其中，△R1、△R2、△R3和△R4分别为应变电阻R1、应变电阻R2、应变电阻R3以及应变电阻R4在应变作用下的阻值变化量，r₀为标定电阻阻值；

c.将触点开关K1动触点S2与静触点S0接触连接，将触点开关K2的动触点S5与静触点S4接触连接，并测量当前全桥惠斯通电桥的输入电压E1和输出电压U0，并可得如下公式：

$\frac{U_1}{E_1}(1+\frac{2r}{R})=\frac{\mathrm{\Δ}R2-\mathrm{\Δ}R1+\mathrm{\Δ}R4-\mathrm{\Δ}R3}{4R}---\left(3\right);$

d.由步骤b中的式(2)和c步骤中的式(3)可解得：

$\frac{2r}{R}=\frac{\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r_0}{R})-\frac{U_1}{E_1}}{\frac{U_1}{E_1}-\frac{U_0}{E_0}}---\left(4\right)$

e.由式(1)、式(3)以及式(4)联立可得应变量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U_1}{{\mathrm{KE}}_1}(1+\frac{\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r_0}{R})-\frac{U_1}{E_1}}{\frac{U_1}{E_1}-\frac{U_0}{E_0}}).$

本发明的有益效果：本发明的消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统及方法，能够有效消除导线电阻应变测量结果的影响，大大提高应变测量的精度；而且不改变现有的测量习惯，便于工程测量人员掌握。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的等效电路图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的等效电路图，其中，图1和图2的区别在于图2中将导线的电阻表示为r；

本发明提供的一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，包括全桥惠斯通电桥、触点开关K1、触点开关K2以及两个标定电阻R0；

全桥惠斯通电桥的第一输入端A通过导线与触点开关K1的静触点S0连接，第一输入端A还通过标定电阻R0与触点开关K1的静触点S1连接，触点开关K1的动触点S2接电源E；

全桥惠斯通电桥的第二输入端B通过导线与触点开关K2的静触点S4连接，第二输入端B还通过标定电阻R0与触点电开关K2的静触点S3连接，触点开关K2的动触点S5接地。

本实施例中，所述全桥惠斯通电桥由应变电阻R1、应变电阻R2、应变电阻R3以及应变电阻R4顺次连接形成；

其中，应变电阻R1和应变电阻R4的公共连接点形成第一输入端A；

应变电阻R2和应变电阻R3的公共连接点形成第二输入端B；

应变电阻R1和应变电阻R2的公共连接以及应变电阻R3和电阻R4的公共连接点为全桥惠斯通电桥的输出端，即图1中的C和D表示输出端，系统通过测量C点和D点间的电压得到全桥惠斯通电桥的输出电压。

相应地，本发明提出了一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量方法，包括如下步骤：

a.建立全桥惠斯通电桥测量应变的模型如下：其中，ε为待测应变，U为输出电压，E为输入电压，K为应变灵敏系数，r为导线电阻，R为应变电阻的阻值；

b.将触点开关K1的动触点S2与静触点S1接触连接，将触点开关K2的动触点S5与静触点S3接触连接，并测量当前全桥惠斯通电桥的输入电压E0和输出电压U0，并可得出如下公式：

$\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r+2r_0}{R})=\frac{\mathrm{\Δ}R2-\mathrm{\Δ}R1+\mathrm{\Δ}R4-\mathrm{\Δ}R3}{4R}---\left(2\right),$ 其中，△R1、△R2、△R3和△R4分别为应变电阻R1、应变电阻R2、应变电阻R3以及应变电阻R4在应变作用下的阻值变化量，r₀为标定电阻阻值；

c.将触点开关K1动触点S2与静触点S0接触连接，将触点开关K2的动触点S5与静触点S4接触连接，并测量当前全桥惠斯通电桥的输入电压E1和输出电压U0，并可得如下公式：

$\frac{U_1}{E_1}(1+\frac{2r}{R})=\frac{\mathrm{\Δ}R2-\mathrm{\Δ}R1+\mathrm{\Δ}R4-\mathrm{\Δ}R3}{4R}---\left(3\right);$

d.由步骤b中的式(2)和c步骤中的式(3)可解得：

$\frac{2r}{R}=\frac{\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r_0}{R})-\frac{U_1}{E_1}}{\frac{U_1}{E_1}-\frac{U_0}{E_0}}---\left(4\right)$

e.由式(1)、式(3)以及式(4)联立可得应变量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U_1}{{\mathrm{KE}}_1}(1+\frac{\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r_0}{R})-\frac{U_1}{E_1}}{\frac{U_1}{E_1}-\frac{U_0}{E_0}})---\left(5\right);$ 从式(5)中可以看出，通过本发明的提供的方法进行测量，有效地消除了导线电阻r对应变测量结果得影响，大大提高了测量精度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，其特征在于：包括全桥惠斯通电桥、触点开关K1、触点开关K2以及两个标定电阻R0；

全桥惠斯通电桥的第一输入端A通过导线与触点开关K1的静触点S0连接，第一输入端A还通过标定电阻R0与触点开关K1的静触点S1连接，触点开关K1的动触点S2接电源E；

全桥惠斯通电桥的第二输入端B通过导线与触点开关K2的静触点S4连接，第二输入端B还通过标定电阻R0与触点电开关K2的静触点S3连接，触点开关K2的动触点S5接地。

2.根据权利要求1所述消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量系统，其特征在于：所述全桥惠斯通电桥由应变电阻R1、应变电阻R2、应变电阻R3以及应变电阻R4顺次连接形成；

其中，应变电阻R1和应变电阻R4的公共连接点形成第一输入端A；

应变电阻R2和应变电阻R3的公共连接点形成第二输入端B；

应变电阻R1和应变电阻R2的公共连接点为全桥惠斯通电桥的输出端C，应变电阻R3和电阻R4的公共连接点为全桥惠斯通电桥的输出端D。

3.一种消除导线电阻影响的全桥惠斯通电桥应变测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

a.建立全桥惠斯通电桥测量应变的模型如下：其中，ε为待测应变，U为输出电压，E为输入电压，K为应变灵敏系数，r为导线电阻，R为应变电阻的阻值；

b.将触点开关K1的动触点S2与静触点S1接触连接，将触点开关K2的动触点S5与静触点S3接触连接，并测量当前全桥惠斯通电桥的输入电压E0和输出电压U0，并可得出如下公式：

$\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r+2r_0}{R})=\frac{\mathrm{\Δ}R2-\mathrm{\Δ}R1+\mathrm{\Δ}R4-\mathrm{\Δ}R3}{4R}---\left(2\right),$ 其中，△R1、△R2、△R3和△R4分别为应变电阻R1、应变电阻R2、应变电阻R3以及应变电阻R4在应变作用下的阻值变化量，r₀为标定电阻阻值；

c.将触点开关K1动触点S2与静触点S0接触连接，将触点开关K2的动触点S5与静触点S4接触连接，并测量当前全桥惠斯通电桥的输入电压E1和输出电压U0，并可得如下公式：

$\frac{U_1}{E_1}(1+\frac{2r}{R})=\frac{\mathrm{\Δ}R2-\mathrm{\Δ}R1+\mathrm{\Δ}R4-\mathrm{\Δ}R3}{4R}---\left(3\right);$

d.由步骤b中的式(2)和c步骤中的式(3)可解得：

$\frac{2r}{R}=\frac{\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r_0}{R})-\frac{U_1}{E_1}}{\frac{U_1}{E_1}-\frac{U_0}{E_0}}---\left(4\right)$

e.由式(1)、式(3)以及式(4)联立可得应变量：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{U_1}{{\mathrm{KE}}_1}(1+\frac{\frac{U_0}{E_0}(1+\frac{2r_0}{R})-\frac{U_1}{E_1}}{\frac{U_1}{E_1}-\frac{U_0}{E_0}}).$