1、实验一应变片单臂电桥性能实验一、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、根本原理：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那么外形的金
2、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、半径为八材料的电阻率为P时，根据电阻的定义式得R=p(11)Ar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P的变化为dL、dA、dp相应的电阻变化为dR0对式(1-1)全微分得电阻变化率dR/R为：dRdL.drdp,r,=2+(12)RLrp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日由材料力学得：L=-r(13)式中：U为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.30.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式(1-3)代入式(
3、1-2)得：dR八、dpz、=(1+2)+-(14)Rp式(1-4)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(1+2)l(15)其灵敏度系数为：K=(1+2z)lR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；dRR-dM半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得
4、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表达为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100至吃00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
5、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。*本实验中使用的是单轴金属箔式应变片。4、箔式应变片的根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O.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，与金属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，描述电阻应变效应的关系式为：aRR=Ke式中：AR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变片的灵敏系数，=LL为电阻丝长度相
6、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桥工作。根本电路如图12a)、(b)、(c)所示。(a)单臂(b)半桥(C)全桥图12应变片测量电路、单臂Uo=IKD-IKg
7、)=(R1+R1)/(R1+R1R5)-R7/(R7R)E=E(R7+R6)(R1+R1)-R7(R5R1+R1)/(R5R1+R1)(R7+R6)设RI=R5=R6=R7,且ARl/Rl=AR/RVVI,RR=K,K为应变片的灵敏系数。那么UO=(I/4)(R1/RI)E=(1/4)(R/R)E=(1/4)KE、双臂(半桥)同理:UOQ(1/2)(RR)E=(l2)KE(c)、全桥同理:UoSR/R)E=KEE6、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框图图中R5、R6、R7为350。固定电阻，Rl为箔式应变片；E为供桥电源4V。桥路输出电压UoQ(I4)SR4R4)E=(
8、l4)SRR)E=(l4)KeE。差动放大器输出为Vo。三、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、硅码；4,位数显万用表(自备)。2四、实验步骤：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器、应变片测量电路、差动放大器组成。没有文字标记的几个电阻符号是空的，里面无实体；R5、R6、R7是350Q固定电阻，是为方便用应变片组成单臂电桥、双臂电桥而设的电阻。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2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片RI、R2、R3、R4的阻值。在传
9、感器的托盘上放置10只硅码后再分别测量RI、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片阻值变大，受压的应变片阻值变小）。图15测量应变片的阻值示意图3、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到适宜位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转2圈），再调节实验模板放大器的调零电位器RW4,使数字电压表显示为零。图16差动放大器调零接线示意图4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按照单臂电桥接线，将2VIOV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，在传感
10、器的托盘上依次放置20g祛码（尽量靠近托盘的中心放置），共需放置10个硅码，并读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。表1应变?单产电桥性熊实验多据重量gI0I20I40I60I80IloO120|140160180200电压InV5、实验报告要求：（1）根据表1数据作出曲线，并计算系统灵敏度S=AV/AW（AV输出电压变化量，AW重量变化量）和非线性误差3,=myFSXlO0%,此式中Am为输出值与拟合直线的最大偏差，yFS为满量程输出值，此处为输入200g硬码时对应的输出电压值。（2）写出前级测量放大器（即仪表放大器）的输出电压表达式Vol,写出后级放大器的输出电压表达式Vo2。实验
11、二应变片半桥性能实验一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。二、根本原理：应变片根本原理参阅实验一。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=（I/2）SR/R）E=（I/2）KeE。图21应变片半桥特性实验框图三、需用器件与单元：主机箱中的士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、祛码。四、实验步骤：1、关闭主机箱电源，按照双臂电桥接线。检查接线无误后合上主机箱电源开关，在传感器的托盘上依次放置20g祛码（尽量靠近托盘的中心放置），共需放置1
12、0个硅码，并读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表2中。表2应变半产实验数产重量gIOl20I40I60I80100120140160180200电压InV2、实验报告要求：（1）根据表2数据作出曲线，并计算系统灵敏度S=AVW（V输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差5,=myFS100%,此式中Am为输出值与拟合直线的最大偏差，yFS为满量程输出值，此处为输入20Og祛码时对应的输出电压值。（2）写出前级测量放大器（即仪表放大器）的输出电压表达式Vol,以及后级放大器的输出电压表达式VO2。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。
13、实验三应变片全桥性能实验一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。二、根本原理：应变片根本原理参阅实验一。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。当应变片初始阻值：Rl=R2=R3=R4,其变化值ARl=AR2=AR3=R4时，其桥路输出电压Uo2（4RR）E=KEE。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框图三、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、硅码。四、实验步骤：1、关闭主机箱电源，按照四臂
14、电桥接线。检查接线无误后合上主机箱电源开关，在传感器的托盘上依次放置20g硅码（尽量靠近托盘的中心点放置），共需放置10个硅码，并读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表3中。表3全桥性能实验数据重量g020406080100120140160180200电压111V2、实验报告要求:根据表3数据作出曲线，并计算系统灵敏度S=AVAW（V输出电压变化量，AW重量变化量）和非线性误差S,=myFSXlO0%,此式中Am为输出值与拟合直线的最大偏差，yFS为满量程输出值，此处为输入200g硅码时对应的输出电压值。五、思考题：测量中，当两组对边（RI、R3为对边）电阻值R相同时，即Rl=R3,R2
15、R4,而RlWR2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。实验四应变片直流全桥的应用一电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、根本原理：电阻应变式传感器从1938年开始使用到目前，仍然是当前称重测力的主要工具，电阻应变式传感器最高精度可达万分之一甚至更高，电阻应变片、丝除直接用以测量机械、仪器及工程结构等的应变外，主要是与种种形式的弹性体相配合，组成各种传感器和测试系统。如称重、压力、扭矩、位移、加速度等传感器，常见的应用场合如各种商用电子称、皮带称、吊钩称、高炉配料系统、汽车衡、轨道衡等。常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理
16、如图41。本实验中，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，我们就可以把电路输出的电压值的电压量纲（V）改为重量量纲（g）,这时就成为一台原始的电子秤。图4一1数字电子称原理框图三、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、祛码。四、实验步骤：1、实验模板中的差动放大器调零：按图1-6示意接线,将数字电压表量程开关切换到直流电压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到适宜位置（先顺时针转到底，再逆时针往回转2圈），再调节实验模板放大器的调零电位器RHk使数字电压表显示为0V。（如
17、果上次调完以后没有改变过这两个电位器的位置，此步骤可以跳过）2、按照图4-1接线，在实验三全桥电路的根底上补接上电桥预平衡电位器RWl和电阻R8,检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节实验模板上的电桥预平衡电位器RWL使电压表显示为0V；3、将10只祛码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（调节增益的电位器）使数显表显示为+0.200V或-0.2OOV均可（2V档测量）。4、拿去托盘上的所有祛码，调节电位器RW4（调节零点的电位器）使数显表显示为0V。5、重复3、4步骤,至少两遍，将祛码一个一个地放在托盘上，并依次记录数据；放上笔、钥匙之类的重量大概在20Og以内的物品称下重量。此时该电
18、阻应变式传感器系统就可以作为电子秤使用了，该电子秤的量程是200克。表4重量g020406080100120140160180200电压InV0实验五自制秤的输入输出特性标定实验一、实验目的：使用上次实验时同学自己制作的量程为15KG的秤，自己接电桥，借助实验板上的电路,找出该秤的输入输出之间的关系。二、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（步进可调）直流稳压电源、15Y直流稳压电源、电压表、应变式传感器实验模板、IKG重的跌码5个。三、实验步骤：考前须知1：由于在实验四电子秤实验中已经改变了差动放大器的零点电位器RW4的位置，所以此处要重新调整差动放大器的零点，即将差动放大器重新调零再进行实验。考前须知2：本实验需要接入电桥预平衡电位器RWL其它实验步骤自拟。四、记录实验数据表5重量kgOkgIkg2kg3kg4kg5kg电压mv0
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