直流電橋與金屬箔式應(yīng)變片性能

1、閩江學(xué)院物理實驗中心閩江學(xué)院物理實驗中心直流電橋與金屬箔式直流電橋與金屬箔式應(yīng)變片性能應(yīng)變片性能一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?1.了解金屬箔式應(yīng)變片、單臂電橋的工作原理和工作情況。 2.驗證金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋的性能及其相互關(guān)系。 二、實驗儀器二、實驗儀器 CSY10B傳感器系統(tǒng)實驗儀、應(yīng)變式傳感器、金屬箔式應(yīng)變片、銅質(zhì)砝碼、電橋模塊、差動放大器、數(shù)顯電壓表。三、實驗原理三、實驗原理 1、電阻應(yīng)變式傳感器簡介、電阻應(yīng)變式傳感器簡介1.1、電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)、電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)1.2、電阻應(yīng)變片的工作原理、電阻應(yīng)變片的工作原理 金屬的應(yīng)變效應(yīng)：金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形（拉伸

2、或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為“金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)”。 利用金屬應(yīng)變效應(yīng)制造的電阻應(yīng)變片常見的有“絲式”和“箔式”。這種應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)較小，但靈敏度低。 半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料的電阻隨作用應(yīng)力而化。 這種應(yīng)變片靈敏度較高，但電阻溫度系數(shù)較大。 此還有“薄膜應(yīng)變片”，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。1.3、電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)、電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)（1）電阻值R0 指未安裝的應(yīng)變片，在不受外力的情況下，室溫條件下測定的電阻值，也稱原始值。應(yīng)變片的電阻值趨于標(biāo)準(zhǔn)化，有60、120、350、600、1000等等，其中120為最常用。（2）絕緣電阻：一般應(yīng)大于。（3）靈敏系數(shù)K（4）允許電

3、流 2、測量原理、測量原理 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效 應(yīng)的關(guān)系式為： （1） KRRR 式中， 為電阻絲電阻相對變化量，為應(yīng)變靈敏系數(shù),為電阻絲長度相對變化量。金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化并通過電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。其電路原理圖如圖1所示，電橋輸出給差動放大 器的電壓為 (圖中， 與 、 與 夠成對臂 ， 與 、 與 、 與 、 與 分別構(gòu)成 鄰臂)；所以，當(dāng)電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零。KRRRERRRR

4、RRRRU21)(4134321R2R4R3R1R3R4R1R3R2R2R4R圖1原理圖44332211RRRRRRRR、4321RRRR、321RRR在橋臂四個電阻中 ，電阻的相對變化量分別為 ,假設(shè)有： 當(dāng)使用一個應(yīng)變片時，電橋的電阻相對變化 量 ，此電橋稱為單橋；當(dāng)用相鄰的兩個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作(即：一個應(yīng)變片為拉伸型應(yīng)變片，鄰臂的那個應(yīng)變片為壓縮型應(yīng)變片)構(gòu)成雙臂電橋時，則電橋的電阻相對變化量 ，此電橋稱為半橋；當(dāng)用四個應(yīng)變片組成雙差動狀態(tài)工作，構(gòu)成一個全橋電橋時，則電橋的電阻相對變化量 。RR 4RRR單RRR2單RRR4單 電橋的靈敏度定義是：電橋的輸出電壓（或輸出電流）與被測

5、應(yīng)變片在電橋的一個橋臂上引起的電阻變化量之間的比值即： ；而輸電壓 ，根據(jù)戴維南定理可近似得到 。已知單橋半橋和全橋電路的 分別為 于是對應(yīng)單橋、半橋和全橋的電橋靈敏度分為 。由表達式可知，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大； RRUS00UREKEU41410RRRRRRR42、EEE和、2141四、實驗四、實驗 步驟步驟1.單臂電橋靈敏度測量單臂電橋靈敏度測量(1) 將差動放大器調(diào)零：開啟主、副電源，將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置檔，用導(dǎo)線將差動放大器的正（）、負（）輸入端與地短接，將差動放大器的輸出端與電壓/頻率表（V/F表）的輸入插口“IN”相連（電壓表的接地插口不必連接，內(nèi)部導(dǎo)線已經(jīng)接地）

6、，調(diào)節(jié)差動放大器的增益旋轉(zhuǎn)到適中位置；然后調(diào)整差動放大器的調(diào)零旋鈕使電壓表顯示為零，然后關(guān)閉主、副電源。也由此可知，當(dāng)E和電阻相對變化量一定時，電橋靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)，這樣在實際測量中可以簡便很多了。(2) 根據(jù)圖2接線。為電橋單元的固定電阻；為應(yīng)變片。將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置檔，電壓/頻率表（V/F表）置20V檔。(3) 開啟主、副電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中使電壓表顯示為零，然后將電壓表置2V檔，再調(diào)節(jié)電橋（慢慢的調(diào)），電壓表顯示為零。（4）在支架上依次放上20g、40g、60g200g銅質(zhì)砝碼，測量對應(yīng)輸出電壓。記錄數(shù)據(jù)于表1。(放上第一個銅質(zhì)砝碼時觀察一下電壓表讀數(shù)的變化情況，如果

7、示數(shù)起伏的大，可適當(dāng)減少差動放大器的增益；如果示數(shù)沒有變化，可適當(dāng)增大差動放大器的增益)表1 單橋?qū)嶒灉y量數(shù)據(jù)（5）作出VM曲線，求出靈敏度 。 2.半橋靈敏度測量半橋靈敏度測量 保持差動放大器增益不變，將固定電阻換為與工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片，即鄰臂取二片受力方向相同的應(yīng)變片，形成半橋，重復(fù)上述測量過程，并 將測量數(shù)據(jù)填入下表，作出VM曲線，求出半橋的靈敏度。表表2 半橋?qū)嶒灉y量數(shù)據(jù)半橋?qū)嶒灉y量數(shù)據(jù)3.全橋靈敏度測量全橋靈敏度測量 保持差動放大器增益不變，將 兩固定電阻換成另外兩片受力應(yīng)變片（即 換成 、 換成 ，而 保持為 、 保持為 ，組橋原則是：鄰臂相反，對臂相同，否則相互抵消沒有輸出

8、）形成全橋電路，重復(fù)上述測量過程，并將測量數(shù)據(jù)填入下表，作出VM曲線，求出全橋的靈敏度。表表3 全橋?qū)嶒灉y量數(shù)據(jù)全橋?qū)嶒灉y量數(shù)據(jù)32RR 、2R3R1R4R實驗完畢，關(guān)閉主、副電源，所有旋鈕轉(zhuǎn)到初始位置。 五、實驗數(shù)據(jù)處理五、實驗數(shù)據(jù)處理同一坐標(biāo)紙上描出VM曲線，比較三種接法的靈敏度。注意事項注意事項1. 金屬箔式應(yīng)變片性能測試單臂電橋(1)電橋上端虛線所示的四個電阻實際上并不存在，僅作為一標(biāo)記，目的是實驗中組橋容易。(2)做此實驗時應(yīng)將低頻振蕩器的幅度關(guān)至最小，以減小其對直流電橋的影響。2.金屬箔式應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋的比較(1)在更換應(yīng)變片時應(yīng)將電源關(guān)閉。(2)在實驗過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載（顯示為“1”或“-1”），應(yīng)將電壓量程擴大。(3)在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。(4)直流穩(wěn)壓電源不能打的過大，以免損壞應(yīng)變片或造成嚴(yán)重自熱效應(yīng)。(5)接全橋時請注意區(qū)別各