应变片电桥

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1、实验一实验一应变片单臂电桥性能实验应变片单臂电桥性能实验 一、实验目的：一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。 二、基本原理：二、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。 此类传感 器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形， 然后由电阻应变片将弹性元 件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输 出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等， 在机械加工、计量、建筑测量等行业应

2、用十分广泛。 1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变 而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应” 。以圆柱形导体为例： 设其长为：L、半径为 r、材料的电阻率为时，根据电阻的定义式得 （11） 当导体因某种原因产生应变时，其长度 L、截面积 A 和电阻率的变化为 dL、dA、d相应 的电阻变化为 dR。对式（11）全微分得电阻变化率 dR/R 为： （12） 式中：dL/L 为导体的轴向应变量L;dr/r 为导体的横向应变量r 由材料力学得：L= - r(13) 式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0

3、.30.5 左右；负号表示两者的变 化方向相反。将式（13）代入式（12）得： （14） 式（14）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能 （压阻效应） 。 2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1)、金属导体的应变灵敏度 K：主要取决于其几何效应；可取 （15） 其灵敏度系数为： K= 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其 轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在 2 左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/Rd。半导体材料之所以 具有较大的电阻变

4、化率， 是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。 在半导体受力变形 时会暂时改变晶体结构的对称性， 因而改变了半导体的导电机理， 使得它的电阻率发生变化， 这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的 压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同 样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应， 其灵敏度系数较大， 一般在 100 到 200 左右。 3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定 性、线性度不好

5、而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用 N 型单晶硅为传感器的弹性元 件， 在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜 （扩散出敏感栅） ， 制成扩散型压阻式 （压 阻效应）传感器。 本实验以金属箔式应变片为研究对象。 4、箔式应变片的基本结构 金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为 0.025mm 左右 的金属丝或金属箔制成，如图 11 所示。 (a) 丝式应变片(b) 箔式应变片 图 11 应变片结构图 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原 理相同。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应， 描

6、述电阻应变效应的关系式为：RRK式中：RR 为电阻丝电阻相对变化，K 为 应变灵敏系数,=L/L 为电阻丝长度相对变化。 5、测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电 路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温 度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性 较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍， 性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全

7、桥工作。基本电路如图 12（a） 、 （b） 、 （c）所示。 （a）单臂（b）半桥（c）全桥 图 12 应变片测量电路 （a） 、单臂 UoUU (R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E （R7R6） （R1R1）R7（R5R1R1） （R5R1R1） （R7R6） E 设 R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K 为灵敏度系数。 则 Uo(14)(R1R1)E(14)(RR)E(14)KE (b)、双臂(半桥) 同理:Uo(12)(RR)E(12)KE (C)、全桥 同理:Uo(RR)EKE 6、箔式应变片单臂电桥实验原理图 图 13 应变片单臂电桥性能实验原理图 图中 R5、

8、R6、R7为 350固定电阻，R1为应变片； RW1和 R8组成电桥调平衡网络，E 为供 桥电源4V。桥路输出电压 Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差 动放大器输出为 Vo。 三三、需用器件与单元需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V 直流 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4 2 1 位数显万用表（自备） 。 四、实验步骤：四、实验步骤： 应变传感器实验模板说明应变传感器实验模板说明： 应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器 （称重 传感器） 、加热器+5V 电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器

9、组成。实验模 板中的 R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为 称重传感器上的应变片输出口； 没有文字标记的 5 个电阻符号是空的无实体， 其中 4 个电阻 符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是 350固定电阻， 是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V 是传感器上 的加热器的电源输入口， 做应变片温度影响实验时用。 多芯插头是振动源的振动梁上的应变 片输入口，做应变片测量振动实验时用。 1、将托盘安装到传感器上，如图 14 所示。 图 14传感器托盘安装示意图 图 15 测量应变

10、片的阻值示意图 2、实验模板中的差动放大器调零：按图 16 示意接线，将主机箱上的电压表量程切换 开关切换到 2V 档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器 RW3合 适位置(先顺时针轻轻转到底， 再逆时针回转 1 圈)后， 再调节实验模板放大器的调零电位器 RW4，使电压表显示为零。 图 16 差动放大器调零接线示意图 3、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图 17 示意图接线，将2V10V 可 调电源调节到4V 档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡 电位器 RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只 20g 砝码(尽

11、量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表 1。 图 17 应变片单臂电桥实验接线示意图 表 1应变片单臂电桥性能实验数据 重量(g)0 电压(mV)0 4、根据表 1 数据作出曲线并计算系统灵敏度 SV/W（V 输出电压变化量，W 重 量变化量）和非线性误差，=m/yFS 100式中m 为输出值（多次测量时为平均值） 与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值，此处为 200g。实验完毕，关闭电源。 实验二实验二 应变片半桥性能实验应变片半桥性能实验 一、实验目的：一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。 二、基本原理：二、基本原理：应变片基本原理参

12、阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图 21 所示。 不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路 输出电压 Uo(12)(RR)E(12)KE 。 图 21应变片半桥特性实验原理图 三三、需用器件与单元需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V 直流 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四、实验步骤：四、实验步骤： 1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤 1 和步骤 3 实验。 2、关闭主机箱电源，除将图 17 改成图 22 示意图接线外，其它按实验一中的步骤 4 实验。读取相应的数显表电压值，填入表 2 中。

13、图 22应变片半桥实验接线示意图 表 2应变片半桥实验数据 重量(g)0 电压(mV)0 3、根据表 2 实验数据作出实验曲线，计算灵敏度 SV/W，非线性误差。实验完 毕，关闭电源。 五、思考题：五、思考题： 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在： （1）对边（2）邻边。 实验三实验三应变片全桥性能实验应变片全桥性能实验 一、实验目的：一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。 二、基本原理：二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图 31 所示。 应变片全桥测量电路中， 将应力方向相同的两应变片接入电桥对边， 相反的应变片接入电桥 邻边。当应变

14、片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路 输出电压 Uo(RR)EKE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。 图 31 应变片全桥性能实验接线示意图 三三、需用器件和单元需用器件和单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V 直流 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四、实验步骤：四、实验步骤： 实验步骤与方法（除了按图 32 示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表 3 作出 实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。 图 32 应变片全桥性能实验接线示意图 表 3 全桥性能实验数据 重量(g) 电压(mV)

15、 五、思考题：五、思考题： 测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）电阻值 R 相同时，即 R1R3，R2R4，而 R1 R2 时，是否可以组成全桥： （1）可以（2）不可以。 *实验四实验四应变片单臂、半桥、全桥性能比较应变片单臂、半桥、全桥性能比较 一、实验目的：一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、基本原理：二、基本原理：如图 4 （a） 、 （b） 、 （c） （a）单臂（b）半桥（c）全桥 图 4应变电桥 （a） 、UoUU (R1R1)(R1R1R2)R4(R3R4)E （1R1R1）（1R1R1R2R2）（R4R3）（1R4R3） E 设 R1R2R3R4，且R1R11。 Uo(14)(R1R1)E 所以电桥的电压灵敏度:SUo(R1R1)kE(14)E (b)、同理:Uo(12)(R1R1)E S(12)E (C)、同理:Uo(R1R1)E SE 三三、需用器件与单元需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15V 直流 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四四、实验步骤实验步骤：根据实验一、 二、