仿真实验一 电阻应变式传感器实验

仿真实验一 电阻应变式传感器实验 一、实验目的 1、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。 2、构建一定放大倍数的放大器，对电桥输出的信号进行放大 二、实验内容 设电阻应变片标称阻值为350欧姆，利用Multisim软件构建直流电桥测量电路和放大电路，按以下要求进行虚拟仿真设计和测试： 1、电桥性能仿真测试：假设受应力作用阻值变化2欧姆，测试以下情况下的电桥输出（精确到0.1mV），记录测试数据，对比总结电桥性能。 （1）单臂变化电桥 （2）双臂变化电桥：相邻桥臂差动变化、同极性变化 （3）双臂变化电桥：相对桥臂差动变化、同极性变化 （4）四臂变化电桥：全桥差动变化 2、放大电路设计与仿真测试，要求： 参考图2电路结构，设计一放大电路，要求： （1）放大倍数约为60-80（2）确定电路元件型号及参数 3、将单臂测量电桥与放大电路整合，当应变片阻值变化0.2、0.4、0.6、…、2.0欧姆时，测量放大器的输出，分析非线性误差产生的原因。 三、实验原理 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桥工作。 如图1（a）、（b）、（c） （a）Uo=U①-U③ =（（R1+△R1）/（R1+△R1+R2）-R4/（R3+R4））E =（（1+△R1/R1）/（1+△R1/R1+R2/R2）-（R4/R3）/（1+R4/R3））E设R1=R2=R3=R4，且△R1/R1<<1。 Uo≈（1/4）（△R1/R1）E 所以电桥的电压灵敏度：S=Uo/（△R1/R1）≈kE=（1/4）E （b）设△R1=-△R2同理：Uo≈（1/2）（△R1/R1）E S=（1/2）E （C）设△R1=△R3=-△R2=-△R4 同理：Uo≈（△R1/R1）E S=E 四、实验结果与分析 1、电桥性能仿真测试： （1）单臂电桥 电桥电阻 输出电压 四臂相等 0 其中一臂改变2Ω -11.396mV 通过表格数据可以看出单臂电桥一臂变化2Ω时，输出电压Uo≈(1/4) (△R1/R1)E=(1/4)*(2/350)*8≈11.429mV （2）双臂相邻电桥 电桥电阻 输出电压 四臂相等 0 相邻臂一个增大2Ω，一个减小2Ω -22.857mV 相邻臂都增大2Ω 0 通过表格看出当双臂电桥相邻臂电阻同极性变化时，输出电压还是0，这是因为同极性变化电阻分压后端点电位不变；而当差动变化时，输出电压近似为单臂电桥改变时输出的两倍。 （3）双臂相对电桥臂 电桥电阻 输出电压 四臂相等 0 相对臂一个增大2Ω，一个减小2Ω 65.307uV 相对臂都增大2Ω -22.792mV 从表中看出当双臂电桥相对臂电阻同极性变化时，输出电压近似单臂电桥改变时输出的两倍；差动变化时电压很小，接近于零但不为零，这是由于增大R1电阻值，使得R1下端电位降低，减小R4电阻值，使得R4上端电位也下降，但由于R1、R3总阻值变大而R2、R4总阻值变小，导致两端电位减小并不相等，从而有电位差。 通过双臂电桥与单臂电桥比较可以看出双臂电桥性能更好，其灵敏度是单臂电桥的两倍。 （4）全桥 电桥电阻 输出电压 四臂相等 0 相对臂同极性变化2Ω，相邻臂差动变化2Ω -45.714mV 通过上表可以看出全桥运转时输出电压近似时单臂电桥的四倍，是双臂电桥的两倍，其性能是最好的，其灵敏度最高。 2、放大电路设计与仿真测试 通过公式计算放大倍数理论值Av=-(1/1)*(1+(35+35)/1)=71倍 实验值Av=809.116/11.396=71倍 3、分析非线性误差 应变片阻值变化 输出电压/mV 下一项与当前项差值 0 0 81.151 0.2 81.151 81.73 0.4 162.224 81.27 0.6 243.251 80.981 0.8 324.232 80.935 1 405.167 80.888 1.2 486.055 80.842 1.4 566.897 81.796 1.6 647.693 81.751 1.8 728.444 81.704 2 809.148 通过图形看出输出电压成线性关系，通过表中下一项与当前项差值可以看出输出电压并不遵循严格的线性关系，可以看出通过应变片电阻变化增大，输出电压下一项与当前项差值越来越小，这是由于应变片电阻增大时会使应变片总电阻增大，通过公式S=Uo/（△R1/R1）≈kE=（1/4）E看出输出电压灵敏度会变大，从而使输出电压偏离线性轨迹。 五、实验总结 通过本次仿真实验也是比较好的结合了课上学的知识点，让我更熟练地掌握了电阻式应变片的工作原理，也学会了全桥电路的设计，电阻应变片的工作原理是利用了金属的应变效应，即金属材料在外力作用下发生机械变形时，其阻值也要发生相应的变化。单臂电桥，半桥，全桥电路的共同点是应用了不平衡电桥的特点，将阻值的变化转换为电桥中的电压输出，再通过相关的转换测量电路，将电压信号转换为便于使用的物理值。三种桥式电路的不同点是所含有的应变片的数量，分别为一片，两片和四片。由于增加了应变片，使得某一个桥臂上的电阻变化量能够消去其中微小不确定量，从而使得桥式测量电路的灵敏度得到很大的提升。电桥的非线性是一个重要的指标，应变片电阻变化越大，线性程度越不好，因此在实际应用中要进行适当的选择。