超动态电阻应变仪的结构与工作原理

微课：电阻应变仪

1）分　类

电阻应变仪是一种可以直接测量试件应变的仪器，它以电桥为基础，将电桥输出的微小变化，经过电压放大供电流计指示。电阻应变仪根据测量应变的频率（工作频率）不同，可划分为以下几种：

（1）静态电阻应变仪

测量变化十分缓慢或变化一次后相对稳定的静态应变，可测量频率为0～15 Hz的应变。

（2）静动态电阻应变仪

可用于静态或频率在200 Hz以内的单点动态应变测量。

（3）动态电阻应变仪

可用于测量5 kHz以下的周期性或非周期性动态应变。一台应变仪通常包含几个测量通道，可同时测量几路动态应变信号，如Y6DL型是六通道的电阻应变仪。

（4）超动态电阻应变仪

测量工作频率达几十千赫兹的动态应变，主要用于爆炸、高速冲击等瞬态条件下的应变测量，同时，也可测静、动态应变。

（5）遥测应变仪

用于解决无法用有线方式传输信号时的应变测量，如测量旋转件、运动件等的应变。它利用无线电传输信号的原理，将应变信号转换成经过调制的电磁波，经由天线发射出去，再由接收端的接收天线将电磁波接收下来，经过放大、解调得到与原被测信号规律相同的电信号，以实现无接触传输信息的要求。

2）结构及工作原理

电阻应变仪虽然种类很多，但其原理基本相同。对于载波放大式应变仪，其电桥通常用几千赫兹的正弦交流供电。电阻应变仪主要由电桥、放大器、相敏检波器、振荡器、指示或记录器、电源等部分组成，其结构如图2.34所示。

图2.34　动态电阻应变仪的结构

应变计接入应变电桥的工作臂，振荡器的正弦载波信号作为应变电桥的电源。应变电桥对应变计的应变信号ε（t）进行调制，输出调制信号ΔU1，经放大和相敏检波后得到一个相应于应变波形的解调信号ΔU3。对于静态测量，ΔU3即可直接由指示器显示；对于动态测量，ΔU3由低通滤波器去除残余载波后，送入终端仪器进行显示和记录。

（1）电　桥

应变仪都采用惠斯通电桥，通常采用较高频率的正弦波（称为载波）作为供桥电源，一般在400～2 000 Hz，以便用一窄频带的交流放大器对已调幅波进行放大。应变计接入应变电桥的工作臂，应变电桥将应变计电阻的变化转换为电流或电压信号。ε（t）为被测应变信号。

（2）放大器

由应变电桥输出的调幅信号非常微弱，一般在几十微伏至几毫伏之间，必须用放大器将电桥送来的调幅电压信号进行放大，以便得到足够的功率去推动指示仪表或记录器。对于静态应变仪，放大的信号频率就是载波频率。对于动态应变仪，放大器所放大的信号频率为ω＋ω0及ω－ω0，其中ω为载波频率，ω0为被测信号的频率。因此，放大器的带宽等于ω±ω0，在此频带以外的信号应有较大的衰减，以保证放大器的抗干扰能力。

（3）振荡器

振荡器的作用在于产生一个频率和振幅稳定、波形良好的正弦交流电压。作为载波信号，一方面为应变电桥提供电源，另一方面作为相敏检波器的参考电压。应变电桥用应变计的应变信号ε（t）对正弦载波信号进行调制，输出调幅信号ΔU1。振荡器的频率（即载波频率）一般要求不低于被测信号频率的6～10倍。一般的动态电阻应变仪是多通道合用一个振荡器，因此要求振荡器有足够的功率输出。

（4）相敏检波器

经放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原成被检测应变信号的波形。而一般检波器只有单向的电压或电流输出，不能区别拉、压应变信号。因此，应变仪中采用了能克服上述缺点的相敏检波器，它有两个功能：一个是检波器的作用，将被信号电压调制的调幅波还原为信号原形，也称解调；另一个是能辨别被测信号相位，具有双向信号输出能力，能反映出应变信号的拉伸或压缩性质，即有相敏功能，可将信号电压的极性反映出来，如图2.35所示。

图2.35　相敏检波器的功能

（5）滤波器

由相敏检波器输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤去才能得到被测应变信号的正确波形。一般用电感、电容组成T型和 ∏型低通滤波器，滤去载波频率ω，而一般被测应变信号频率ω0比ω小得多，所以滤波器的截止频率只要做到（0.3～0.4）ω，即可满足频率特性的要求，较好地滤掉载波成分，让应变信号通过。

（6）指示仪表或记录器

静态应变仪中的指示器是直流微安或毫安表。动态应变仪需测量具有一定频率的交流信号，因此把信号输入记录器中进行显示和记录。

（7）电　源(www.xing528.com)

为应变仪中放大器、振荡器等单元电路提供能量，要求输出电压稳定，纹波小。

3）环形相敏检波器

在电阻应变仪中广泛采用全波相敏检波器，又称环形相敏检波器，其典型电路如图2.36所示，用二极管作为检波元件。

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图2.36　环形相敏检波器电路

D1、D2、D3、D4为晶体二极管整流元件，在电路中起开关作用，由参考电压uk控制。R1、R2、R3、R4为平衡电阻，使各臂的正向电阻对称。uc为从放大器输出的调幅信号电压，uk为从振荡器输出的参考电压，两者的频率相同，由调幅电路原理决定的相位关系为：

①拉伸应变时，uc与uk同相；

②压缩应变时，uc与uk反相，相位差180°。

在设计此电路时，使uk≫uc，即由uk决定二极管的导通与截止。

（1）当uc与uk同相时

若uc与uk为正半周，uk使D1、D4导通，D2、D3截止，此时，由信号电压uc产生的电流流经D1、D4及负载电阻RL时的电流方向如图2.37（a）所示。

若uc与uk为负半周，uk使D2、D3导通，D1、D4截止，此时信号电压uc产生的电流流经RL时的电流方向如图2.37（b）所示。

由此可见，当uc与uk同相时，即应变信号是拉伸应变时，无论在正半周还是负半周，检流计指针的偏转方向相同，被测信号为拉伸应变。

（2）当uc与uk反相时

若uc为负半周，uk为正半周时，uk使D1、D4导通，D2、D3截止，流经RL的电流方向如图2.37（c）所示。

若uc为正半周，uk为负半周时，uk使D2、D3导通，D1、D4截止，流经RL的电流方向如图2.37（d）所示。

图2.37　环形相敏检波器电路分析

由此可见，当uc与uk反相时，流经RL的电流方向都是自左向右；当应变信号是压缩应变时，uc与uk才反相，因此被测信号为压缩应变。

这样，环形相敏检波器既起到了检波作用，又区分了应变信号的拉伸和压缩特性。

目前，很多应变仪的相敏检波单元采用三极管代替二极管作为检波元件，这是因为：①三极管的热稳定性比二极管好，零漂小；②在正向应用时，三极管的饱和压降小，Uceo≈0.1 V，而二极管的正向压降为0.6～0.7 V，效率低；③三极管所需的参考电压低，功率小，只需在三极管基极加几毫安的电流，就可使三极管导通。图2.38所示是采用三极管作为整流元件的相敏检波器。

图2.38中，uk为参考电压，由振荡器输出，作用在三极管T1和T2的基极与发射极之间，控制T1与T2的导通与截止。信号电压经变压器B1分相后作用在T1与T2的集电极，负载RL接在T1与T2的公共发射极与变压器B1中心抽头之间。

图2.38　三极管的相敏检波器电路

（1）当uc与uk同相时

若uc与uk均为正半周，在参考电压uk作用下，三极管T1导通，T2截止；在uc作用下，信号电流经T1流过负载RL，方向自上而下。

若uc与uk均为负半周，则T1截止，T2导通，信号电流经T2流过RL时的方向仍是自上而下。

因此，只要uc与uk同相时，流过负载电阻RL的电流总是自上而下，这时的应变信号为拉伸应变。

（2）当uc与uk反相时

若uc为正半周，uk为负半周，则T1截止，T2导通，经RL的电流方向由下至上。

若uc为负半周，uk为正半周，则T1导通，T2截止，经RL的电流方向由下至上。

因此，当uc与uk反相时，流过负载电阻RL的电流方向总是由下至上，这时的应变信号为压缩应变。