[发明专利]一种基于惠斯通全桥原理的曲率测量方法

摘要

本发明属于应变测量技术领域，提供一种基于惠斯通全桥原理的曲率测量方法。测量过程中，首先将四个电阻应变传感器均匀摆放，电阻应变传感器a、b(c)和d间隔相同距离均匀水平放置，电阻应变传感器b和c上下平行放置；再将四个电阻应变传感器采用惠斯通全桥方式与单个应变桥盒连接，利用惠斯通全桥原理平衡温度引起的应变，同时构造曲率计算对应的比例关系，此时单个应变桥盒输出电压即可以直接转化为测点曲率；最后将应变桥盒与动态信号采集仪和电脑连接，测量和采集结构曲率。本发明仅使用单个应变桥盒即可直接测量得到结构任一点的精确曲率，无须数值计算；简化实验流程，计算方便，降低实验成本，简化实验操作。

主权项

1.一种基于惠斯通全桥原理的曲率测量方法，其特征在于，该方法基于四个电阻值相同的电阻应变传感器a(1)、b(2)、c(3)、d(4)，一个应变桥盒(5)，一个动态信号采集仪(6)和一台电脑(7)实现，能够直接测量结构任一点曲率；测量过程中，首先将四个电阻应变传感器a(1)、b(2)、c(3)、d(4)按照惠斯通全桥原理连接，再将其与单个应变桥盒(5)连接，单个应变桥盒(5)输出电压能够直接转化为测点曲率；所述的曲率测量方法如下：设惠斯通电桥桥臂电阻分别为R₁、R₂、R₃和R₄，电阻应变传感器a(1)和d(4)分别与R₁、R₄对应的桥臂连接，电阻应变传感器b(2)和c(3)分别与R₂、R₃对应的桥臂连接,四个电阻应变传感器电阻值即为各桥臂对应电阻；根据惠斯顿电桥原理，得到电桥输出电压为：其中，U为应变桥盒(5)对应直流电源的输入电压；U₀为应变桥盒(5)对应输出端电压；四个桥臂电阻值均相等，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄，且满足R₁R₄＝R₂R₃，电桥初始状态处于平衡状态；当结构发生变形，引起各桥臂对应电阻应变传感器电阻发生变化，电桥产生输出电压，设各桥臂电阻相应发生ΔR₁，ΔR₂，ΔR₃，ΔR₄的变化，此时输出电压为：公式(2)转化为：将ΔR/R＝Kε，代入上式得到：其中，ε_D＝ε₁‑ε₂‑ε₃+ε₄，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分别为电阻应变片R₁、R₂、R₃、R₄所感受的总应变，包括结构引起的应变和温度引起的应变；K为灵敏度系数均相同，ΔR/R＝Kε；受温度影响，四个电阻应变传感器a(1)、b(2)、c(3)、d(4)产生相同的温度引起应变ε_T，记电阻应变传感器a(1)、b(2)、c(3)和d(4)测量中由于结构变形和温度产生的总应变分别为ε₁＝ε_a1+ε_T、ε₂＝ε_b2+ε_T,ε₃＝ε_c3+ε_T,ε₄＝ε_d4+ε_T，代入公式(5)得到：ε_D＝ε₁‑ε₂‑ε₃+ε₄＝ε_a1‑ε_b2‑ε_c3+ε_d4   (6)电阻应变传感器b(2)、c(3)上下平行摆放，水平方向受到结构应变相等，即ε_c3＝ε_b2，根据中央差分法曲率计算公式，进一步得到b点或c点曲率：式中：ρ_b为b点或c点处曲率；l为电阻应变传感器水平方向间距；将得到的ε_D和ρ_b代入公式(5)中得到测量电压得到电阻应变传感器输出电压与曲率线性关系，实现曲率的直接测量。