传感与检测技术实验指导书-2011新

实验一 应变片测量电桥特性分析

一、实验目的

1. 掌握应变片的布片及接桥方法；

2. 了解应变片单臂、半桥、全桥的工作原理和工作特性；

3. 了解测试应变片单臂、半桥、全桥输出与输入电压之间的关系。

二、实验原理

应变片是一种将机械构件的应变转换为电阻值变化的变换元件，一般做成片状，简称 为应变片。应变片按材料的不同有金属应变片和半导体应变片。

应变片是最常用的测力敏感元件。当用应变片测力时，应变片应牢固地粘贴在测试 体表面，当测试体受力发生变形时，应变片敏感栅的结构尺寸随之变化，其电阻值将产生相应的变化。通过应变片测量电桥，将应变片电阻值的变化转换成相应的电压输出。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路相对臂电阻乘积相等，电桥输出电压为零。在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化量分别为△R1/ R1、△R2/ R2、△R3/ R3、△R4/ R4 ，桥路的输电压出与应变?R??R1??R2??R3??R4成

R1R2R3R4正比。通常应变测量电桥都采用等臂桥，此时R1= R2= R3= R4=R，△R1=-△R2 =△R3=-△R4=

△R。当使用一个应变片接成单臂桥时，则有?R??R；当使用二个应变片接成差动半桥时，

R则有?R?2?R；若用四个应变片接成差动全桥时，则有?R?4?R。

RR根据电路分析可以得出：单臂测量电桥的输出电压UO=KUiεUO=KUiε

R/2，差动全桥输出电压

差动半桥输出电压R/4，

UO=KUiε

R ；相应地单臂测量电桥输出电压的灵敏度

Ku=UO/△R/R =Ui/4，差动半桥输出电压的灵敏度Ku=UO/△R/R =Ui/2，差动全桥输出电压的灵敏度Ku=UO/△R/R = Ui。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当Ui和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

三、需用器件及单元

实验台主控箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 位半数显万用表。

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图1－1 应变式传感器安装示意图

四、 实验内容与步骤

图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图

（一） 应变传感器实验模板电路调试及说明

1． 实验模板说明

如图1-1所示，应变式传感器已装于应变传感器模块上，传感器中各应变片R1、R2、R3、R4已接入图 1—2 所示实验电路的左上方，传感器中各应变片的静态值均为350 ?。实验时，当托盘加上法码后，应变片R1、R3为承受拉应变，其阻值增加；应变片R2、R4承受压应变，其阻值减小；R1、R2、R3、R4应变后阻值的大小可用万用表测量。

图 1—2 中R5、R6、R7为标准电阻，图中没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者搭接差动半桥和全桥电路提供方便，图中的黑粗线表示外

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接连线。

2. 实验模板差动放大器调零

图 1—2中Rw1和Rw2为电桥调零电位器，Rw3和Rw4为差动放大器调零电位器。由于测量电桥输出电压很小，实验时其输出需接高输入阻抗、高放大倍数的差动运算放大器。运算放大器投入测量放大工作之前，需要进行静态调零。调零的方法如下：

（1）接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板上调零电位器Rw3 顺时针调节到大致中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）。

（2）将差放电路的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端 Vi 相连，调节实验模板上调零电位器Rw4，使数显表显示电压值为零(数显表的切换开关打到2V档)，完毕关闭主控箱电源。 （二）应变片单臂电桥实验

1. 单臂电桥接线及调零

参考图1－2接入应变片R1，作为一个桥臂，R1与R5、R6、R7(在模块内已连接好的标准电阻)接成应变片单臂测量电桥。接上桥路电源±4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1 使数显表显示电压值为零。

2. 单臂电桥实验

在应变传感器实验托盘上放置一只砝码，读取数显表显示的电压值；依次增加砝码并读取相应的数显电压值，记入表1.1 中。 表 1.1 应变片单臂电桥实验数据表 重量（g） 电压（mv) 3. 实验要求

根据表1.1记录的实验数据，画出加载实验曲线，计算应变片单臂测量电桥输出电压的灵敏度S＝ΔU/Δg（ΔU输出电压变化量，Δg重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％，式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S满量程输出量（平均值）。实验完毕，关闭电源。 （三）应变片半桥实验

1. 半桥接线及调零

参考图1－3 接线，应变片R1、R2为一对差动电阻应变片（一为拉应变、一为压应变)，

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两应变片接于差动半桥的两相邻边上。保持实验步骤（二）电位器Rw3 、Rw4不变，接入桥路电源±4V，调节 Rw1，使数显表电压指示为零。

图1－3应变式传感器半桥实验接线图

2. 半桥实验

（1）在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表显示的电压值；依次增加砝码并读取相应的数显电压值，记入表1.2 中。

（2）依次减少砝码并读取相应的数显电压值，将实验数据记入表1.2。 表 1.2 应变片半桥实验数据表 重量（g） 加载电压（mv） 减载电压（mv)

3. 实验要求

根据表1.2记录的实验数据，画出加载及减载实验曲线，计算灵敏度 S ,非线性误差δ 、回程误差大小。实验完毕，关闭电源。 （四）应变片全桥实验

1. 全桥接线及调零

参考图1－4接线，应变片R1、R2、R3、R4接成差动全桥（R1、R3、为拉应变，R2、R4为压应变)。保持实验步骤（三）电位器Rw3 、Rw4不变，接入桥路电源±4V，调节 Rw1，

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使数显表电压指示为零。

图1－4全桥性能实验接线图

2. 全桥实验

（1）在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表显示的电压值；依次增加砝码并读取相应的数显电压值，记入表1.3 中。

（2）依次减少砝码并读取相应的数显电压值，将实验数据记入表1.3。 表 1.3 应变片全桥实验数据表 重量（g） 加载电压（mv） 减载电压（mv)

3. 实验要求

根据表1.3记录的实验数据，画出加载及减载实验曲线，计算灵敏度 S ,非线性误差δ 、回程误差大小。实验完毕，关闭电源。

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 五、注意事项

1. 实验前应检查实验接线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线； 2. 接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时应轻轻把反方向转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂；

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