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1、实验三十六 金属箔式应变实验练习一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、 实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、 基本原理：金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为： （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长，横截面积相应减小，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： （2） 式中的为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1）。若径向应变为，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为，因为=2（），则（2）式可以写成： （3） 式（3）为
2、“应变效应”的表达式。称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，受两个因素影响，一个是（1+），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则，对半导体，值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系 （4）
3、式中 测试的应力； E材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源、万用表（自备）。四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位置如图（1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350。图1 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源15V（从主控箱引
4、入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、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Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）图2 应变式传感器单臂电桥实验接线图3、按图2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥， R5、R6、R7模块内已接好，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源5V，此时应将5V地与15V地短接（因为不共地）如
5、图2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1，关闭电源。表1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mv)5、 根据表1计算系统灵敏度（输出电压的变化量，重量变化量）和非线性误差f1=m/yFS 100 式中（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g. 五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否则可能
6、烧毁应变片。六、思考题： 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 七、实验报告要求：1 记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2 从理论上分析产生非线性误差的原因。练习二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的：1、了解半桥的工作原理。2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理：把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2EG2。式中E为电桥供电电压。三、 需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、1
7、5V电源、5V电源。四、 实验内容与步骤：图1 应变式传感器半桥实验接线图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，进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、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Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。2、根据图1接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据
8、记入表1，计算灵敏度，非线性误差。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。表1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）五、实验注意事项：图1 应变式传感器全桥实验接线图1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题：1 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。2 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。七、实验报告要求：1、记录实
9、验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。练习三 金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的原理及优点。二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压U03KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源。四、实验内容与步骤：1、 根据1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1；进行灵敏度和
10、非线性误差计算。表1全桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV） 五、实验注意事项：图2 应变式传感器受拉时传感器周面展开图1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V，绝不可错接成15V。六、思考题：1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。七、实验报告要求： 1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。 2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏
11、度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。练习四 直流全桥的应用电子秤实验一、 实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、5V电源。四、实验内容与步骤：1、按练习一中2的步骤，将差动放大器调零，按图1全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.000V（2V档）。2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满
12、量程调节）使数显表显示为0.200V或0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，填入下表1。表1电桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压(mv)1、 根据上表，计算误差与非线性误差。五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为5V，绝不可错接成15V。六、实验报告要求：1、记录实验数据，绘制传感器的特性曲线。2、 分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么
13、消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。附录1 实验箱温度控制简要原理当总电源开关合上，并且温度控制器的开关也闭合时，如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值，那么温度控制器面板上ALM2灯亮（ALM2为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开触点串联的），内部继电器闭合，温度模块开始加热，加热电源为1A恒流源，当温度加热到略高与设定温度值时，ALM2灯灭，内部继电器断开，温度模块停止加热，但由于温度的惯性比较大，因此当温度模块停止加热后，仍有一定的向上的冲量。附录2 温度控制器使用说明1、仪表通电显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗输入代码，后显示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型显示PV窗
14、Jd05、SV窗2003），随后即进入工作状态，其中PV显示的为测量的温度值，SV显示的为设定的温度值，当SV的值大于PV的值时ALM2灯亮，恒流源有输出，当PV的值大于SV的值时，ALM1灯亮，恒流源无输出，按SET键0.5秒SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5秒确认，如需要修改其他参数，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜单，可按要求逐一修改内容（见操作流程表），修改完毕再按SET键0.5秒若干下，退出菜单，如15秒内无键按下（该窗内新设置的数据无效）自动进入新的工作状态。2、当输入信号大于量程上限时，仪表显示，当输入信号小于超出量程下限10%以上时，仪表仍显示，并切断主控输出；当输入信号略小于量程下限时，仪表显示。3、当温度控制效果不够理想时，可以通过人工后自整定来改变PID参数。操作方法如下：人工修正：将仪表进入B菜单至P窗，再用温度控制器下面的三个箭号键来修正P值，再按SET0.5S进入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。自整定修正：先把主控设定再实际使用值后实用值的80%左右，再将仪表进入B菜
