[發明專利]一種基于惠斯通全橋原理的曲率測量方法

有效

• 申請號: 201810497180.7
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN108759652B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 彭偉強;胡大士;張迪;杜海越;崔洪宇;洪明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01B7/293
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種基于惠斯通全橋原理的曲率測量方法，其特征在于，該方法基于四個電阻值相同的電阻應變傳感器a(1)、b(2)、c(3)、d(4)，一個應變橋盒(5)，一個動態信號采集儀(6)和一臺電腦(7)實現，能夠直接測量結構任一點曲率；測量過程中，首先將四個電阻應變傳感器a(1)、b(2)、c(3)、d(4)按照惠斯通全橋原理連接，再將其與單個應變橋盒(5)連接，單個應變橋盒(5)輸出電壓能夠直接轉化為測點曲率；所述的曲率測量方法如下：

設惠斯通電橋橋臂電阻分別為R₁、R₂、R₃和R₄，電阻應變傳感器a(1)和d(4)分別與R₁、R₄對應的橋臂連接，電阻應變傳感器b(2)和c(3)分別與R₂、R₃對應的橋臂連接,四個電阻應變傳感器電阻值即為各橋臂對應電阻；根據惠斯頓電橋原理，得到電橋輸出電壓為：

其中，U為應變橋盒(5)對應直流電源的輸入電壓；U₀為應變橋盒(5)對應輸出端電壓；四個橋臂電阻值均相等，即R₁＝R₂＝R₃＝R₄，且滿足R₁R₄＝R₂R₃，電橋初始狀態處于平衡狀態；

當結構發生變形，引起各橋臂對應電阻應變傳感器電阻發生變化，電橋產生輸出電壓，設各橋臂電阻相應發生ΔR₁，ΔR₂，ΔR₃，ΔR₄的變化，此時輸出電壓為：

公式(2)轉化為：

將ΔR/R＝Kε，代入上式得到：

其中，ε_D＝ε₁-ε₂-ε₃+ε₄，ε₁、ε₂、ε₃、ε₄分別為電阻應變片R₁、R₂、R₃、R₄所感受的總應變，包括結構引起的應變和溫度引起的應變；K為靈敏度系數均相同，ΔR/R＝Kε；

受溫度影響，四個電阻應變傳感器a(1)、b(2)、c(3)、d(4)產生相同的溫度引起應變ε_T，記電阻應變傳感器a(1)、b(2)、c(3)和d(4)測量中由于結構變形和溫度產生的總應變分別為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)

電阻應變傳感器b(2)、c(3)上下平行擺放，水平方向受到結構應變相等，即ε_c3＝ε_b2，根據中央差分法曲率計算公式，進一步得到b點或c點曲率：

式中：ρ_b為b點或c點處曲率；l為電阻應變傳感器水平方向間距；

將得到的ε_D和ρ_b代入公式(5)中得到測量電壓得到電阻應變傳感器輸出電壓與曲率線性關系，實現曲率的直接測量。