電橋性能實(shí)驗(yàn)

.z.直流電橋原理在進(jìn)行金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能實(shí)驗(yàn)之前，我們有必要先來(lái)介紹一下直流電橋的相關(guān)知識(shí)。電橋電路有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標(biāo)是橋路靈敏度、非線(xiàn)性和負(fù)載特性。下面具體討論有關(guān)直流電路和與之相關(guān)的這幾項(xiàng)指標(biāo)。平衡條件直流電橋的基本形式如圖1-1所示。R1，R2，R3，R4為電橋的橋臂電阻，RL為其負(fù)載（可以是測(cè)量?jī)x表內(nèi)阻或其他負(fù)載）。當(dāng)RL∞時(shí)，電橋的輸出電壓V0應(yīng)為V0=E()當(dāng)電橋平衡時(shí)，V0=0，由上式可得到R1R4=R2R3或（1-1）圖1-1式（1-1）秤為電橋平衡條件。平衡電橋就是橋路中相鄰兩橋臂阻值之比應(yīng)相等，橋路相鄰兩臂阻值之比相等方可使流過(guò)負(fù)載電阻的電流為零。平衡狀態(tài)1.單臂直流電橋所謂單臂就是電橋中一橋臂為電阻式傳感器，且其電阻變化為△R，其它橋臂為阻值固定不變，這時(shí)電橋輸出電壓V0≠0（此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_(kāi)路狀態(tài)），則不平衡電橋輸出電壓V0為V0=(1-2)設(shè)橋臂比n=，由于△R1《R1，分母中可忽略，輸出電壓便為V"0=這是理想情況，式（1-2）為實(shí)際輸出電壓，由此可求出電橋非線(xiàn)性誤差。實(shí)際的非線(xiàn)性特性曲線(xiàn)與理想線(xiàn)性曲線(xiàn)的偏差秤為絕對(duì)非線(xiàn)性誤差。則其相對(duì)線(xiàn)性誤差r為：r===（1-3）由此可見(jiàn)，非線(xiàn)性誤差與電阻相對(duì)變化有關(guān)，當(dāng)較大時(shí)，就不可忽略誤差了。下面來(lái)看電橋電壓靈敏度SV。在式（1-2）中，忽略分母中項(xiàng)，并且考慮到起始平衡條件，從式（1-2）可以得到V0'≈（1-4）電橋靈敏度的定義為SV=≈=（1-5）當(dāng)n=1時(shí)，可求得SV最大。也就是說(shuō)，在電橋電壓E確定后，當(dāng)R1=R2，R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高。此時(shí)可分別將式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化簡(jiǎn)為V0=（1-6）r=（1-7）V0'≈（1-8）SV=（1-9）由上面四式可知，當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓，非線(xiàn)性誤差，電壓靈敏度也是定值，與各橋臂阻值無(wú)關(guān)。2．差動(dòng)直流電橋（半橋式）若圖1-1中支流電橋的相鄰兩臂為傳感器，即R1和R2為傳感器，并且其相應(yīng)變化為△R1和△R2，則該電橋輸出電壓V0≠0，當(dāng)△R1=△R2，R1=R2，R3=R4時(shí)，則得V0=上式表明，V0與成線(xiàn)性關(guān)系，比單臂電橋輸出電壓提高一倍，差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差，而且電壓靈敏度SV為SV=比使用一只傳感器提高了一倍，同時(shí)可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?.雙差動(dòng)直流電橋（全橋式）若圖1-1中直流電橋的四臂均為傳感器，則構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若滿(mǎn)足△R1=△R2=R△3=△R4，則輸出電壓和靈敏度為V0=SV=E由此可知，全橋式直流電橋是單臂直流電橋的輸出電壓和靈敏度的4倍，是半橋式直流電橋的輸出電壓和靈敏度的2倍。實(shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片——單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能?；驹恚弘娮杞z在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，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：=Kε式中為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過(guò)它轉(zhuǎn)換被測(cè)部位受力狀態(tài)變化、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)。對(duì)單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。 圖1－1，圖1－2是壓力傳感器的測(cè)量電路，由兩個(gè)部分組成。前一部分是采用三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器，后面的放大器將儀表放大器的輸出電壓進(jìn)一步放大。R28是電橋的調(diào)零電阻，R42是整個(gè)放大電路的調(diào)零電阻，R29，R40調(diào)整運(yùn)放增益。儀表放大器因?yàn)檩斎胱杩垢?，共模抑制能力好而作為電橋的接口電路。其增益可用下式表示：A＝（1+）圖1－1圖1－2需用器件與設(shè)備：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)；應(yīng)變式傳感器；砝碼；跳線(xiàn)；350Ω電阻；萬(wàn)用表（自備）。四、實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)圖（2-1）所示，應(yīng)變式傳感器已經(jīng)裝在傳感器試驗(yàn)臺(tái)上。傳感器中各應(yīng)變片上的R1、R2、R3、R4接線(xiàn)顏色分別為黃色、藍(lán)色、紅色、白色，可用萬(wàn)用表測(cè)量同一種顏色的兩端判別，R1=R2=R3=R4=350Ω。圖2-1應(yīng)變式傳感器安裝示意圖接入電源，撥通電源開(kāi)關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)K板調(diào)節(jié)增益電位器R29順時(shí)針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為將差動(dòng)放大器的正、負(fù)輸入端（電路板上的TEST1與TEST2）與地短接，輸出端OUT與電路板上的IN1或IN2相連，調(diào)節(jié)電路板上調(diào)零電位器R42，輸出的電壓讀數(shù)為零，關(guān)閉電源。（注意：當(dāng)R29、R42的位置一旦確定，就不能改變。一直到做完實(shí)驗(yàn)三為止）電路板上的R25、R26、R27接入350Ω電阻，將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R1接入電路板上的R24，作為一個(gè)橋臂與電路板上的R25、R26、R27接成直流電橋。檢查接線(xiàn)無(wú)誤后，接通電源。調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器R28，使電路板上的TEST1與TEST2之間輸出的壓降為零。在托盤(pán)上放置一只砝碼，讀取電壓數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的電壓值，直到1Kg砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1中，關(guān)閉電源。重量（g）電壓（mv）根據(jù)表1-1計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S=（輸出電壓變化量與重量變化量之比）和非線(xiàn)性誤差：δ?1=△m/yF。S×100%式中△m為輸出值（多次測(cè)量時(shí)為平均值）與擬合直線(xiàn)的最大偏差：yF。S滿(mǎn)量程輸出平均值，此處為1Kg。五、思考題單臂電橋時(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：（1）正（受拉）應(yīng)變片（2）負(fù)（受壓）應(yīng)變片（3）正、負(fù)應(yīng)變片均可。實(shí)驗(yàn)二金屬箔式應(yīng)變片——半橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)?；驹恚翰煌芰Ψ较虻膬芍粦?yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線(xiàn)性得到改善。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓U02=EKε/2。測(cè)量電路同實(shí)驗(yàn)一。三、需用器件與設(shè)備：同實(shí)驗(yàn)一。四、實(shí)驗(yàn)步驟：傳感器安裝同實(shí)驗(yàn)一。做實(shí)驗(yàn)（一）步驟2，實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒?dòng)放大器調(diào)零。電路板上的R25、R27接入350Ω電阻，將應(yīng)變式傳感器的紅色（或白色）線(xiàn)連接的應(yīng)變片接入電路板上的R24，將黃色（或藍(lán)色）線(xiàn)連接的應(yīng)變片接入電路板上的R26，與電路板上的R25、R27接成直流電橋。檢查接線(xiàn)無(wú)誤后，接通電源。調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器R28，使電路板上的TEST1與TEST2之間輸出的壓降為零。注意R24應(yīng)和R26受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。實(shí)驗(yàn)步驟3、4同實(shí)驗(yàn)一中的步驟4、5，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1-2，計(jì)算靈敏度S2=△U/△W，非線(xiàn)性誤差δ?2。若實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)數(shù)值顯示說(shuō)明R24與R26為相同受力狀態(tài)應(yīng)變片，應(yīng)更換一個(gè)應(yīng)變片。表1-2半橋測(cè)量時(shí)，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）電壓（mv）五、思考題：1.半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：（1）對(duì)邊（2）鄰邊。實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片——全橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馊珮驕y(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)?；驹恚喝珮驕y(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)叄煌慕尤豚忂?，?yīng)變片初始阻值：RQ=R2=R3=R4，其變化值△RQ=△R2=△R3=△R4時(shí)，其橋路輸出電壓U03=EKε。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線(xiàn)性誤差和溫度誤差均得到改善。測(cè)量電路同實(shí)驗(yàn)一。需用器件與設(shè)備：同實(shí)驗(yàn)一。實(shí)驗(yàn)步驟：傳感器安裝同實(shí)驗(yàn)一。將應(yīng)變式傳感器的紅色、白色線(xiàn)連接的應(yīng)變片接入電路板上的R24，R27，將黃色、藍(lán)色線(xiàn)連接的應(yīng)變片接入電路板上的R25、R26，實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)二相同。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-3；進(jìn)行靈敏度和非線(xiàn)性誤差計(jì)算。表1-3全橋電路輸出電壓與加負(fù)載重量值。重量（g）電壓（mv）思考題：全橋測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)即RQ=R2=R3=R4，而R1≠R2時(shí)，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。實(shí)驗(yàn)四直流全橋的應(yīng)用——稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變傳感器的應(yīng)用及電路標(biāo)定?；驹恚弘娮映訉?shí)驗(yàn)原理為實(shí)驗(yàn)三，全橋測(cè)量原理，通過(guò)對(duì)電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對(duì)應(yīng)值，電壓量綱（g）即成為一臺(tái)原始電子秤。測(cè)量電路同實(shí)驗(yàn)一。需用器件于單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)；應(yīng)變式傳感器；砝碼；跳線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：按實(shí)驗(yàn)一中2的步驟，將差動(dòng)放大器調(diào)零，接通電源，調(diào)節(jié)電橋平衡電位器R