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1、电磁学综合实验基本要求（一）非平衡直流电桥的应用实验要求1. 学习与掌握用非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻的基本原理和操作方法。2. 学习与初步掌握非平衡电桥的设计方法；学习与掌握根据不同待测电阻值选择桥 式。3. 在YJ-DZT-II电磁学综合实验平台上，用“非平衡直流电桥及应用模板”测量电阻在平衡点附近电阻的改变量AR与电桥输出改变量AU之间的关系，并用最小二乘 法求灵敏度Su（Su =AU/AR）及相关系数Y。（二）电子秤设计 在日常生活和生产中，电子秤已经得到了广泛的应用，电子秤是通过压力传感器 ,把被 测量物体的质量转换成电信号输出,通过放大器放大后,由二次仪表直接显示出来. 设计
2、研究要求1. 研究、测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度。2. 根据应变式传感器的压力特性设计、制作一个电子秤，该电子秤应达到如下的技术指 标:1）量程:0100. g。2）精度:在量程范围内,额定误差小于最大量程的 1% 。3）灵敏度: 1 g4）显示:电压输出 0100. mV5）说明测量的原理,给出各组成部分的性能测试数据,证明能达到以上技术指标,写出设 计研究总结报告。思考题：（查资料）1. 简述非平衡直流电桥的工作原理。2. 简述非平衡直流电桥的优缺点。3. 简述应变式压力传感器的工作原理。附录：一）非平衡直流电桥的应用1非平衡电桥的工作原理非平衡电桥原理如图1所示：B、D之间为
3、一 负载电阻Rg,只要测量电桥输出Ug、Ig即可得 到 Rx 值。电桥分类等臂电桥： R1=R2=R3=R4。输出对称电桥,也称卧式电桥：R1=R4=R,R2=R3=R，且 R#R 电源对称电桥,也称立式电桥：R1=R2=R,R3=R4=R,且 RRo输出电压BCDUsSi0 比Q当负载电阻Rgfg，即电桥输出处于开路状态时，Ig=0,仅有电压输出，用U表示，若 后面接数字电压表或高阻抗放大器时属此种情况。根据分压原理, ABC 半桥的电压降为 U ,通过 R 、/ =i U * 1 14 R + R则R上的电压降为144 RU =4 Ubc R + R S同理R上的电压降为R1十R43RU
4、=3 UDC R + R S23R 两臂电流为4（1）输出电压 U 为 U 与 U 之差0BCDCU = U - U0 BC DCR R -RR2_41_3 U(R + R )(R + R ) s1423满足条件RR1 =3RR = R R 或者 RR1 32 4242）（3）（4）（5）时，则电桥输出叮0,即电桥处于平衡状态，式（5）就称为电桥平衡条件。为了测量的 准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡。这样可使输出只与某一臂的 电阻变化有关。若R1、R2、R3固定，r4为温度之函数Rt=R（t） =Rx，则当温度从时，R厂R4+ AR,因电桥不平衡而产生的电压输出为U o(
5、t)=USR R + R AR-RR若阻值变化很小，即ARRi (i=l、2、3、4),则(6)式公母中含有AR之项可以略去,室温t0时预调平衡，则(6)式变为U o(t)=R ar2 U(R + R )(R + R ) s1 4 2 37)由此可得三种电桥的输出为 等臂电桥u (t)=us ar04 R卧式电桥u (t)=务ar4 R立式电桥U (t) = US(R + R )2aRR( 8 )( 9 )10 )显然，当A RRi时，三种电桥的输出均与AR成线性比例关系。特别要强调的一点R公式(7) (10)中之R和R,均为预调平衡后的电阻值。测量到输出电压后，通过 上述公式运算到AR (x
6、) /R或AR (t),从而求得R (t) =R+AR (t)o由(8) -(10)式可知，在 R、AR 相同的情况下，等臂电桥、卧式电桥输出电压比立 式电桥的输出电压高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通选择R、R来扩大 测量范围，R、R差距煎大，测量范围也煎大。不平衡电桥实验模板如图2所示，UBD为电桥的 输出端，用数字表可直接测量电桥的输出电压。2.实验步骤：(1) 用电阻箱代替Rt接入实验模板的电路中， 调节R11使之为100.0 Q，然后用导线连接Rt与只口, 接入5V的工作电压，用数字万用表测量UBD输出端 电压,调节Rw使电桥平衡(UBD=0)。(2) 等量改变电阻箱数
7、值0.5 1.0Q共10 次，测出与各电阻对应的电桥输出电压 UBD 。(3) 用最小二乘法求出电压随电阻变化的灵敏度S（S=A UBD/A R）及相关系数Y。（二）电子秤的设计与制作在日常生活和生产中，电子秤已经得到了广泛的应用，电子秤是通过压力传感器 ,把被 测量物体的质量转换成电信号输出,通过放大器放大后,由二次仪表直接显示出来.一、原理和方法提示1压力传感器应变式压力传感器的结构如图 1 所示，主要由双孔平衡梁和粘贴在梁上的电阻应变片 R1R4 组成，电阻应变片一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片等组成.应变片的规格一 14般以使用面积和电阻值来表示，如“3xl0mm2, 350Q”
8、 .敏感栅由直径约 0.01mm-0.05mm 高电阻系数的细丝弯曲成栅状，它实际上是一个电阻 元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合剂将其固定在基片上，基底应 保证将构件上的应变准确地传送到敏感栅上去， 故基底必须做得很薄（一般为 0.03mm0.06mm）,使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起；另外，它还应有良好的绝缘性、R1R21AU HR4R3E图2抗潮性和耐热性。基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等. 引出线的作用是将敏感栅电阻元件与 测量电路相连接，一般由0.1mm0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两端输出端相焊接, 盖片起保护作用。在测试时，将应变片用粘合剂牢固地
9、粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应 变片的敏感栅也获得同样的形变，从而使电阻随之发生变化。通过测量电阻值的变化可反映 出外力作用的大小。压力传感器是将四片电阻分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面适当的位置，梁的一端固 定，另一端自由用于加载荷外力F.弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1 和R亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R和R电阻减小。这样，外力的作用通过梁324的形变而使四个电阻值发生变化，这就是压力传感器应变片R= R= R= R。12343压力传感器的压力特性 应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化。为了显示和记录应变的大小，还需把电阻 的变化再转化为电压或电
10、流的变化。最常用的测量电路为电桥电路，由应变片组成的全桥测 量电路如图 2 所示，当应变片受到压力作用时，引起弹性体的变形，使得粘贴在弹性体上的 电阻应受片RR的阻值发生变化，电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力。144. 传感器电源电压E与电桥输出电压U的关系改变传感器工作电压E,其输出电压U正比于工作电压E.5、电子秤的设计 由于应变式压力传感器输出的电压仅为毫伏量级 ,如果后级采用数字电压表作为显示仪表.则应把荷重传感器输出的毫伏信号放大到相应的电压信号输出.整套装置的组成框图如图 3所示图3二、实验设计内容 要设计一台电子秤,首先要根据对测量所提出的精度和灵敏度的要求。对各组成
11、部分的主 要性能参数提出合理的要求,这一步属于总体方案设计阶段。在总体设计中,首先要分析这套 测试装置中哪一部分是主要的关键部分,它的性能参数将对其他部分起关健的决定性的作用。 就本课题而言。应变式压力传感器是关键部分,它的特性指标将对放大电路及显示仪表的选择 起决定性的作用。因此,首先要研究和测量荷重传感器的特性指标。在实际问题中，哪一部分 是关键并不是唯一的和一成不变的，需要根据所要解决的实际问题的具体要求和条件而定。1 压力传感器的参数测试和性能研究 压力传感器灵敏度及线性 即在某一定的供桥电压下，单位荷载变化所引起的输出电压变化，用 Sp 表示：Sp=U /0实验中，不但要求出 Sp
12、值，还要求利用两个变量的统计计算法求输出电压 U0 和荷重 P 之间的相关系数，即线性度。 压力传感器电压灵敏度 即在额定荷载下，供桥电压变化所引起的输出变化，用 Sv 表示，则Sv二AU /0同样，也要研究其线性，求其相关系数。2 .整机测定和调试把传感器、放大器和显示装置（采用适当量程和精度的数字电压表）连成一体，进行模 拟测试，求物体重量变化与输出电压示值的关系，验证各项指标是否达到要求。3 总结，写出研究测试报告。三、基本使用方法：应变式压力传感器基本特性的测量1. 压力传感器的压力特性的测量：（1）按顺序增加砝码的数量（每次增加10g）至100g，分别测传感器的输出电压。（2）按顺序
13、减去砝码的数量（每次减去10g）至Og,分别测传感器的输出电压。（3）用最小二乘法处理数据，求灵敏度Sp及相关系数。2. 压力传感器的电压特性的测量：保持传感器的压力不变（如40g）,改变工作电压分别为3.0V、3.5V、4.0V、4.5V、5.0V、 5.5V、6.0V、6.5V、7.0V、7.5V，测量传感器电源电压E与电桥输出电压U的关系，用最小 二乘法求灵敏度 Sv 及相关系数。3. 应变式压力传感器实验模板如图4所示，R R应变式压力传感器的四个应变电阻，由14RR等电阻组成的电压为V ,R为零点调节。由RR、IC等组成的差动放大器放大倍数1401 w17131由 R 调节，输出的电
14、压为 V 。w2 02使用、调试方法：1）用导线连接实验仪各电源插座和实验模板相对应的接线柱，并将100g传感器电缆线 接入实验模板，打开电源预热15分钟。2）用导线短路放大器输入端，放大器的输出端与万用表电压档相连，调节“放大器调零” 旋钮Rw2，使放大器输出电压为0.000V,去掉短路线用连接线将放大器的输入端与非平衡电桥 的输出端相连。3）调节工作电压为1.5至2.5 V，在压力传感器秤盘上没有任何重物时，测量放大器的 输出电压，调节“零点调节” Rw1旋钮使放大器的输出电压为0.000V。4）将100g标准砝码置于压力传感器秤盘上，测量放大器的输出电压，调节“放大倍数 调节” Rw3旋钮使放大器的输出电压为100mV。（1mV相当于1go ）5）重复 3）、 4）步操作,使误差最小。6）完成压力传感器的压力特性S p与电压特性Sv的测量。7）用你设计的电子秤，称量一件100g以内的物体质量，并与实际值比较，计算百分误 差。8）评估你设计制作的电子秤。2421 3(R + R )(R + R ) + AR(R + R )142323
