一种测量刚体材料应变的组合实验仪

尹钦 李海彦 邹艳

摘要：测定刚体材料的应变不仅在工程技术上而且在科学研究的许多领域都具有非常重要的地位.现有技术的刚体材料应变实验仪结构复杂使用不方便，并且不能消除由于温度的变化带来的测量误差.本作品提供一种结构简单、使用方便测量刚体材料应变的组合实验仪，利用直流单臂电桥的平衡条件和电阻应变效应原理来测量刚体材料的微小应变，通过设置温度补偿片减小了温度变化所引起的测量误差.该实验仪作为学生的选修实验或综合性实验可在高校大学物理实验室推广应用.

关键词：电桥;应变;温度补偿片

中图分类号：O348  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）01-0019-03

应用传感器法测量物体微小形变具有响应速度快、精度高、便于自动控制等特点.其测量原理是将被测的非电学量转换成与其成一定比例关系的电学量进行测量.常用的传感器有应变电阻传感器、电容传感器、电感传感器、霍尔传感器和热电传感器等[1-2].

本实验仪采用电阻应变式传感器（简称应变片），其工作原理是基于电阻应变效应原理.电阻应变片由金属电阻丝制成，将其粘贴在具有弹性的待测刚体上，当待测刚体由于受到外力而发生形变时，应变片的敏感栅与待测刚体一同发生形变，其电阻值将发生相应的变化，通过电路将电阻的变化量转换为电压量或电流量的变化，从而可以实现将微小的形变转换成电阻的变化来测量刚体材料的主应变[3-6].该实验仪操作简单，方法有创新性，实验误差小，实验精度高，满足了综合设计性实验要求，可在高校大学物理实验室推广应用.该实验技术在医学、建筑等方面也有着很大的应用前景.

1 实验仪装置组成

本实验仪将提供一种结构简单、使用方便的刚体材料应变组合实验仪，如图1和图2所示：本实验仪包含惠斯登电桥电路，应变片RX固定在悬臂梁3的上面并且与惠斯登电桥电路上的应变片接线柱7并联，应变片RX安装在夹具2的右侧.夹具2固定在底座1上，悬臂梁3固定在夹具2上.悬臂梁3的右端与悬线5上端相接，悬线5的下端与砝码4相接.温度补偿应变片R1固定在悬臂梁3的上面并且与惠斯登电桥电路上的温度补偿接线柱6并联.温度补偿应变片R1安装在夹具2的左侧.

惠斯登电桥电路安装在底座1的内部，惠斯登电桥电路的温度补偿接线柱6和应变片接线柱7以及第二电阻R2和第三电阻R3和保护电阻R的调节旋钮都安装在底座1的外壳上，检流计G和开关K也要安装在底座1的外壳上.

应变片RX固定在悬臂梁3的上面，并且与惠斯登电桥电路上的应变片接线柱7并联，应变片RX安装在夹具2的右侧，悬臂梁3固定在夹具2上，悬臂梁3的右端与砝码4相接，温度补偿应变片R1与惠斯登电桥电路上的温度补偿接线柱6并联，就可以方便地测量悬臂梁3在不同受力情况下的电阻变化值，从而计算出悬臂梁3的应变数值.

在图2中，电阻R2、R3串联后并联在保护电阻R、直流电源E、开关K串联的电路上;温度补偿接线柱6（由两个组成）与应变片接线柱7（由两个组成）串联后也并联在保护电阻R、直流电源E、开关K串联的电路上.检流计G的上端与温度补偿接线柱6和应变片接线柱7的连接点相连，检流计G的下端与电阻R2、R3的连接点相连.温度补偿应变片R1与温度补偿接线柱6相接;应变片RX与应变片接线柱7相接.这就形成了一个惠斯登电桥，其中电阻R2、R3为可调节可直接读数的高精度电阻箱，保护电阻R为滑线变阻器（保护电阻R也可串联到检流计G电路中去）.本实验仪把图2的温度补偿接线柱6和应变片接线柱7不接其他器件时的电路组合简称为惠斯登电桥电路.

2 实验原理

该实验的实验原理是利用电阻应变式传感器，将微小的形变信号转换为电阻阻值的变化来测量刚体试件的主应变.电阻应变片的构造是比较简单的，将一根具有高电阻金属细丝在制片机上按图3所示排绕，然后用胶水将其粘结在两片薄纸之间并焊上较粗的引出线，这就是常用的丝绕式电阻应变片，它一般由敏感栅（即金属丝）、粘结剂、基底、引出线和覆盖层五部分组成.若将电阻应变片粘贴在被测构件的表面，当金属丝随构件一起变形时，其电阻值也随之变化.

该实验的具体做法是在刚体试件的两侧粘贴两个电阻应变片，将R1处的應变片作为温度补偿片，将RX处的应变片作为传感器测量应变片，它们均分布在刚体试件的上表面.将电阻丝制成的电阻应变片的两端接入测量电路即惠斯登电桥电路中，作为刚体材料微小形变的测量电路.当刚体试件受力变形时，应变片的电阻丝也随之伸缩，其电阻值也随之发生变化，此变化是刚体试件表面应变的函数.通过测量电阻的阻值变化，进而就可以得到刚体试件的表面应变.

5 分析讨论

该实验的影响因素主要有应变片的安装位置的变化、测量仪器的精度以及温度的变化.由于本实验主要测量刚体试件上表面弯曲引起的应变，因此应变片的位置放置于刚体的上表面以减小实验误差.因为实验中电阻的变化量较小，需用较高精度的微调电阻箱以使测量结果尽可能精确.通过设置温度补偿片可以减小由于温度变化所引起的误差.在测量中可以采取多次测量取平均值的办法，尽量减小实验误差.

6 结束语

本实验利用直流单臂电桥的平衡条件和电阻应变效应原理来测量刚体材料的微小应变，操作简单且精度高，而且将电磁学与传感器知识有机结合了起来，引入实验室有利于提高学生的综合能力.通过改进老式实验仪器，简化操作，让实验变得既简单易行又获得了高精度.本实验仪采用自制仪器，不仅克服了原有仪器的不足，增加了实验测量的材料范围，让实验能够得以推广到各种材料的应变测量，而且锻炼了学生的实验能力和创新能力.

参考文献：

〔1〕何希才.常用传感器应用电路的设计与实践[M].北京：科学出版社，2007.151-156.

〔2〕陈黎敏.传感器技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009.51-54.

〔3〕王希义.大学物理实验[M].陕西：科学技术出版社，1998.166.

〔4〕姬婉华，李治中.大学物理实验[M].陕西：西北工业大学出版社，1996.102-105.

〔5〕朱鹤年.物理实验研究[M].北京：清华大学出版社，1994.151.

〔6〕李凡生.微小形变量的几种测量方法讨论[J].南宁师范高等专科学校学报，2009，3（26）：123.

〔7〕张如一，等.应变电测与传感器[M].北京：清华大学出版社，1999.