应变计、补偿压力计和测压仪：工作性能影响及特殊设计的应用

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：温度的变化可能会使应变计的阻值产生一个微小的改变，作为补偿，需要添加第二个叫作“补偿压力计”的应变计。而用来测量输入电压的应变计叫作“有效压力计”。采取特殊设计的应变计压力传感器被称为测压仪。测压仪将应变计安装在各种形状的衬底上，以此将压力或重量的改变量转换成可用的信号。如上所述，应变计在受压时电阻会发生改变。应变计安装的位置、安装过程和使用的原料都会对测压仪的工作性能产生影响。

应变是指物体承受了压力或压强之后所产生的变形。更准确地说，应变是外力使物体长度上发生相对变化的现象——不论是正变化（伸长）还是负变化（压缩）。应变可以通过应变计测量，应变计结构如图4-19所示，是用细金属丝或金属箔排列成栅形网格状，叫作敏感栅。

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图4-19　和衬底黏合在一起的金属应变计

敏感栅安装在一个很薄的底座上，这个底座叫作衬底，直接黏合在试块上。因此，试块受力时发生的应变可以直接传给应变计，使其电阻产生一个线性的变化。图4-20示出了一个应变计如何与试块相连。事实上，由于敏感栅本身没有任何强度，因此它和试块压缩（或伸长）的距离可以保持一致，如图4-20（b）所示。根据应变计制造商所给的使用说明介绍，应变计必须与衬底完全黏合，这样试块产生的应变可以通过黏合剂和应变计准确地传给敏感栅。

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图4-20　附着在试块上的应变计及其桥式电路

应变计的基本参数是它对于应变的灵敏度，称为横向灵敏度（GF）。横向灵敏度是指电阻改变量和长度改变量的比值，公式表示如下：

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式中，用希腊字母ε代换了ΔL/L。金属应变计的横向灵敏度一般为2～4。

为了准确测量电阻方面如此微小的改变，应变计通常用在一个桥式电路的结构中。图4-20（c）所示为一个与桥式电路连接的应变计。注意电桥的输出电压为V0，而用于电桥的电压为VEX。应变计标注为RG，是桥式电路的一个桥臂，而RT是与其相对的另一个桥臂，用来平衡电桥的电阻。如果没有力施加在应变计上，电桥平衡，输出电压VO为0。通过RT形成的电桥平衡对电路中的电阻变化和预压提供了补偿。这里的预压是指在加载实际待测压力之前应变计上所产生的微小电压。当在应变计上施加一个压力时，它的电阻将发生改变，阻值改变得多少和应变计中金属丝产生的形变大小成正比；而电桥的输出电压与压力的变化呈线性关系。

温度的变化可能会使应变计的阻值产生一个微小的改变，作为补偿，需要添加第二个叫作“补偿压力计”的应变计。补偿压力计顺着施加的力方向安装，因此待测力对它没有影响。而用来测量输入电压的应变计叫作“有效压力计”。注意图4-21（a）中分别标注了“补偿压力计”和“有效压力计”这两个应变计。图4-21（b）所示为综合使用了这两种应变计的电桥电路。在这种电路中，温度改变时补偿压力计和有效压力计都会同时产生阻值的变化，而由于这两个应变计位于电桥中相对的两个桥臂处，因此阻值上的变化将被互相抵消。而与只使用有效压力计的电桥一样，该电路中也使用了RT来平衡电阻变化和预压。

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图4-21　补偿压力计和有效压力计

当需要进行非常准确的压力测量时，（理论上）可以在试块上安放多个不同角度的应变计以获得最大的温度稳定性。采取特殊设计的应变计压力传感器被称为测压仪。测压仪被归为测力传感器的一种，它可以将重量或受力转换为电信号。测压仪将应变计安装在各种形状的衬底上，以此将压力或重量的改变量转换成可用的信号。几乎每一个电子称重系统中都使用到了测压仪，因此了解测压仪可以更好地理解那些使用了测压仪系统的工作原理。

应变计是测压仪的核心元件。如上所述，应变计在受压时电阻会发生改变。将应变计使用化学方法粘贴在一片薄绝缘层或衬底上，然后使用特殊配方的黏合剂将衬底和受压部件黏结在一起。应变计安装的位置、安装过程和使用的原料都会对测压仪的工作性能产生影响。测压仪中的每一个应变计都由在横杆、圆环或圆柱体（受压部件）表面粘贴的一条或多条细金属丝构成。当与应变计连接的表面受压时，金属丝将收缩或伸长，根据外加负载的大小，金属丝的电阻也会发生相应的改变。测压仪中可以包含一个或多个应变计。图4-22（a）、（b）分别示出了压缩测压仪和横梁弯曲测压仪。

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图4-22　测压仪压力传感器

如图4-23所示，可以将多个应变计连接在一起作为惠斯通电桥的4个桥臂。当电桥上加载一个输入电压时，电桥的电压和仪器上受到的压力大小成正比。输出电压可以使用普通的电子仪器进行信号处理。

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图4-23　使用测压仪的桥式电路

在目前的控制应用中，称重系统既可以应用于静态环境中，也可以应用于动态环境中。许多系统都采用先进技术，包括连接计算机中的集成数据库和使用微型控制器技术来控制原料输入量和给料速度。为了将重量的相关信息发送给计算机，信号调节器将测压仪的模拟信号转换为数字信号后使测压仪和计算机间进行直接通信。整个系统可以通过下列基本模块构建而成：

（1）测压仪和电缆。

（2）接线盒。它使所有测压仪信号集合到一个输出端中。

（3）各种仪器，如指示器和信号调节器。

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