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R 1、R 2、R 3、R 4中，电阻的相对变化量分别为△R 1/ R 1、△R 2/ R 2、△R 3/ R 3、△R 4/ R 4 ，桥路的输电压出与应变12341234R R R R R R R R R ε∆∆∆∆=--+成

正比。通常应变测量电桥都采用等臂桥，此时R 1= R 2= R 3= R 4=R ，△R 1=-△R 2 =△R 3=-△R 4=

△R 。当使用一个应变片接成单臂桥时，则有R R R

ε∆=；当使用二个应变片接成差动半桥时，

则有2R R R ε∆=；若用四个应变片接成差动全桥时，则有4R R R

ε∆=。

根据电路分析可以得出：单臂测量电桥的输出电压U O =KU i εR /4，

差动半桥输出电压U O =KU i ε

R /2，差动全桥输出电压

U O =KU i ε

R ；相应地单臂测量电桥输出电压的灵敏度

K u =U O /△R/R =U i /4，差动半桥输出电压的灵敏度K u =U O /△R/R =U i /2，差动全桥输出电压的灵敏度K u =U O /△R/R = U i 。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；当U i 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。

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 Ω。

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

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

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/y F..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；y F·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)，

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

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，