1/2弯曲:$V_{out}= \frac{V_s}{2}GF \cdot \varepsilon (1+\nu)$
全桥路:$V_{out}= V_s \cdot GF \cdot \varepsilon (1+\nu)$
温度误差:$\Delta V_T \approx \frac{V_s}{4}(\alpha_R - \alpha_{sub})\Delta T$
输入灵敏系数、供电电压、桥路配置,瞬间计算输出电压和灵敏度。同时对比4种桥路,直观感受温度补偿的效果。
结构健康监测:在桥梁、建筑、风电叶片等结构上贴应变片,长期监测负荷和疲劳导致的应变。采用全桥路配置,排除温度变化影响,获得高精度数据。
汽车碰撞试验与车体开发:碰撞试验时在车体各处贴几百个应变片,详细测量冲击能传递路径和变形行为。常采用1/2弯曲桥路测量弯曲和扭转。
航空航天器地面试验:在飞行中承受空气动力的机翼、机身等进行地面强度试验,测量结构应变分布。极端温度环境下必须采用温度补偿桥路。
机器人臂与精密设备的力觉传感器:机器人的6轴力传感器内部用全桥路配置的应变片,从微小应变计算出三维力和力矩。
首先,"灵敏系数越大越好"是误解。虽然灵敏度高,但GF大的材料温度依存性也大。半导体应变片(GF>100)比金属箔(GF≈2.0)灵敏得多,但温度补偿复杂,实务中金属箔更常用。
其次,供电电压$V_s$的选择。输出电压与$V_s$成正比,容易想到加大$V_s$就好,但应变片会因电流通过而自热(焦耳热),引起误差甚至损坏。例如120Ω应变片加10V会产生约0.83W的热。通常用1~5V,既抑制自热又获得足够的信号。
最后,"全桥路总是最优"的想法。全桥路灵敏度最高,但要贴4个应变片,成本和工时都增加。全桥路还要求4个应变片特性完全相同,否则达不到理论值。悬臂梁这类贴装位置受限的情况,1/2弯曲桥路往往足够用。要权衡目标、成本和可实现性。
铝制悬臂梁(E=70GPa)贴应变片(GF=2.05),先端加100N负荷,梁长100mm、截面二次矩150mm⁴,产生应变约952με。1/4桥路配置、Vs=10V时输出电压约4.9mV,灵敏度0.49mV/V/με。温度升高ΔT=30℃时,采用1/2桥路补偿可将温度误差降至约0.15mV,精确获得应力值(σ≈67MPa)。