實驗二電橋測試電阻式傳感器的單臂全橋電橋性能實驗

1、實驗二 電橋測試 （1）電阻式傳感器的單臂電橋性能實驗一、實驗?zāi)康?、了解電阻應(yīng)變式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與使用方法。2、掌握電阻應(yīng)變式傳感器放大電路的調(diào)試方法。3、掌握單臂電橋電路的工作原理和性能。二、實驗所用單元電阻應(yīng)變式傳感器、調(diào)零電橋，差動放大器板、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、位移臺架。三、實驗原理及電路1、電阻應(yīng)變式傳感如圖1-1所示。傳感器的主要部分是上、下兩個懸臂梁，四個電阻應(yīng)變片貼在梁的根部，可組成單臂、（雙臂）半橋與全橋電路，最大測量范圍為±3mm。1外殼 2電阻應(yīng)變片 3測桿 4等截面懸臂梁 5面板接線圖圖1-1 電阻應(yīng)變式傳感器2、電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其阻

2、值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，其關(guān)系為：R/ RKL/ L=K，R為電阻絲變化值，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，為電阻絲長度的相對變化量L/ L。通過施加外力引起應(yīng)變片變形，測量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓的變化。 對于金屬應(yīng)變片，Ks主要取決于式中的第一項。金屬的泊松比通常在0.3左右，對于大多數(shù)金屬Ks取2。本實驗采用直流電橋來測量金屬應(yīng)變片的工作特性。3電橋的工作原理和特性（1）電橋的工作原理圖2 是一個直流電橋A、C端接直流電源，稱供橋端，Uo稱供橋電壓；B、D 端接測量儀器，稱輸出端UBD=UBC+UCD=UOR3/(R3+R4)-R2/(R1+R2) 1）由式（1）可知，當電橋輸出電壓為零

3、時電橋處于平衡狀態(tài)為保證測量的準確性，在實測之前應(yīng)使電橋平衡（稱為預(yù)調(diào)平衡）（2）電橋的加減特性電橋的四個橋臂都由應(yīng)變片組成，則工作時各橋臂的電阻狀態(tài)都將發(fā)生變化(電阻拉伸時，阻值增加；電阻壓縮時，阻值減小)，電橋也將有電壓輸出當供橋電壓一定而且Ri<<Ri時，d U=(¶ U/¶R1) d R1+(¶ U/¶R2) dR2+(¶ U/¶R3) dR3+(¶ U/¶R4) dR4 2)其中U =U BD 對于全等臂電橋，R1=R2=R3=R4=R，各橋臂應(yīng)變片靈敏系數(shù)K相同，上式可簡化為d U=0.25

4、UO(d R1 / R1- d R2 / R2+ d R3 / R3- d R4 / R4) 3）當Ri<<R 時，此時可用電壓輸出增量式表示D U=0.25 UO (D R1 / R1- D R2 / R2+ D R3 / R3- D R4 / R4) 4）式（4）為電橋轉(zhuǎn)換原理的一般形式，現(xiàn)討論如下：（a）當只有一個橋臂接應(yīng)變片時（稱為單臂電橋），橋臂R1為工作臂，且工作時電阻由R 變?yōu)镽+R，其余各臂為固定電阻R（R2=R3=R4=0），則式（4）變?yōu)镈 U=0.25 UO (D R / R)= 0.25 UOK 5）（b）若兩個相鄰臂接應(yīng)變片時（稱為雙臂電橋，即半橋），（見

5、圖3）即橋臂R1、R2為工作臂，且工作時有電阻增量R1、R2，而R3和R4臂為固定電阻R（DR3=DR4=0）當兩橋臂電阻同時拉伸或同時壓縮時，則有R1=R2=R，由式（4）可得U=0當一橋臂電阻拉伸一橋臂壓縮時，則有R1=R，R2=R，由式（4）可得D U=2 0.25 UO (D R / R) =2 0.25 UO K 6)（c）當四個橋臂全接應(yīng)變片時（稱為全橋），（見圖4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，R1=R3=R，R2=R4=R，則式（4）變?yōu)镈 U=4 0.25 UO (D R / R) =4 0.25 UO K 7)此時電橋的輸出比單臂工作時提高了四倍，比雙臂工作時提

6、高了二倍（3）電橋的靈敏度電橋的靈敏度Su是單位電阻變化率所對應(yīng)的輸出電壓的大小Su=D U/(D R/ R)= 0.25 UO (D R1 / R1- D R2 / R2+ D R3 / R3- D R4 / R4)/ (D R/ R) 8)令 n=(D R1 / R1- D R2 / R2+ D R3 / R3- D R4 / R4)/ (D R/ R) 9)則Su=0.25n UO 10)式中，n 為電橋的工作臂系數(shù)由上式可知，電橋的工作臂系數(shù)愈大，則電橋的靈敏度愈高，因此，測量時可利用電橋的加減特性來合理組橋，以增加n 及測量靈敏度3、電阻應(yīng)變式傳感的單臂電橋電路如圖1-2所示，圖中R

7、1、R2、R3為固定，R為電阻應(yīng)變片，輸出電壓 D U=EK 11）E-電橋轉(zhuǎn)換系數(shù)：單臂E= U0/4 半橋（雙臂）E= U0/2 全橋 E= U04.由10）11）可知：Su、D U均與電橋的工作臂數(shù)、Uo供橋電壓成正比；但Uo供橋電壓過大會使應(yīng)變片的溫度變大。圖1-2 電阻式傳感器單臂電橋?qū)嶒炿娐穲D四、實驗步驟1、固定好位移臺架，將電阻應(yīng)變式傳感器置于位移臺架上，調(diào)節(jié)測微器使其指示15mm左右。將測微器裝入位移臺架上部的開口處，旋轉(zhuǎn)測微器測桿使其與電阻應(yīng)變式傳感器的測桿適度旋緊，然后調(diào)節(jié)兩個滾花螺母使電阻式應(yīng)變傳感器上的兩個懸梁處于水平狀態(tài)，兩個滾花螺母固定在開口處上下兩側(cè)。2、實驗箱上

8、差動放大器（實驗臺內(nèi)部已連接±15V），；將差動放大器放大倍數(shù)電位器RP1旋鈕（實驗臺為增益旋鈕）逆時針旋到終端位置。3、用導(dǎo)線將差動放大器的正負輸入端連接，再將其輸出端接到數(shù)字電壓表的輸入端；按下面板上電壓量程轉(zhuǎn)換開關(guān)的20V檔按鍵（實驗臺為將電壓量程撥到20V檔）；接通電源開關(guān)，旋動放大器的調(diào)零電位器RP2旋鈕，使電壓表指示向零趨近，然后換到2V量程，旋動調(diào)零電位器RP2旋鈕使電壓表指示為零；此后調(diào)零電位器RP2旋鈕不再調(diào)節(jié)，根據(jù)實驗適當調(diào)節(jié)增益電位器RP1。4、按圖1-2接線，R1、R2、R3（電阻傳感器部分固定電阻）與一個的應(yīng)變片構(gòu)成單臂電橋形式。5、調(diào)節(jié)平衡電位器RP，使數(shù)

9、字電壓表指示接近零，然后旋動測微器使電壓表指示為零，此時測微器的讀數(shù)視為系統(tǒng)零位。分別上旋和下旋測微器，每次0.5mm，上下各2mm，將位移量X和對應(yīng)的輸出電壓值UO記入下表中。表 1-1X(mm)-0.5-1.0-1.5-2.0-2.50.51.01.52.02.5UO(mV)五、實驗報告1、根據(jù)表1-1中的實驗數(shù)據(jù)，畫出輸入/輸出特性曲線，并且計算靈敏度和非線性誤差。2、傳感器的輸入電壓能否從5V提高到10V？輸入電壓的大小取決于什么？3、分析電橋測量電阻式傳感器特性時存在非線性誤差的原因。（2） 電阻式傳感器的全橋性能實驗一、實驗?zāi)康恼莆杖珮螂娐返墓ぷ髟砗托阅?。二、實驗所用單元同上。三、實驗原理及電路將四個應(yīng)變片電阻分別接入電橋的四個橋臂，兩相鄰的應(yīng)變片電阻的受力方向不同，組成全橋形式的測量電路，轉(zhuǎn)換電路的輸出靈敏度進一步提高，非線性得到改善。實驗電路圖見圖3-1，全橋的輸出電壓D U=EK四、實驗步驟1、按實驗一的實驗步驟1至3進行操作。2、按圖3-1接線，將四個應(yīng)變片接入電橋中，注意相鄰橋臂的應(yīng)變片電阻受力方向必須相反。圖3-1 電阻式傳感器全橋?qū)嶒炿娐?、調(diào)節(jié)平衡電位器RP，使數(shù)字電壓表指示接近零，然后旋動測微器使表頭指示為零，此時測微器的讀數(shù)視為系統(tǒng)零位。分別上旋和