应变电桥特性应用实验报告Word格式文档下载.docx
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I1R1?
I2R2
Rx?
R2
RR1
只要检流计足够灵敏，等式就能相当好地成立，被测电阻值Rx可以仅从三个标准电阻
的值来求得，而与电源电压无关。
这一过程相当于把Rx和标准电阻相比较，因而测量的准确度较高。
单电桥的实际线路如图所示：
将R2和R1做成比值为c的比率臂，则被测电阻为
cR
其中c?
R2R1，共分7个档，0.001～1000，R为测量臂，由4个十进位的电阻盘组
成。
图中电阻单位为?
。
2.铜丝电阻温度系数
任何物体的电阻都与温度有关，多数金属的电阻随文的升高而增大，有如下关系式：
Rt?
R0（1?
?
Rt）
式中Rt、R0分别是t、0℃时金属丝的电阻值；
R是电阻温度系数，单位是（℃）。
严格
-1
地说，?
R一般与温度有关，但对本实验所用的纯铜丝材料来说，在-50℃～100℃的范围内?
R的变化很小，可当作常数，即Rt与t呈线性关系。
于是
?
R?
R0
R0t
利用金属电阻随温度变化的性质，可制成电阻温度计来测温。
例如铂电阻温度及不仅准确度高、稳定性好，而且从-263℃～1100℃都能使用。
铜电阻温度计在-50℃～100℃范围内因其线性好，应用也较广泛。
3.双电桥测低电阻
用下图所示的单电桥测电阻时，被测臂上引线l1、l2和接触点x1、x2等处都有一定
的电阻，约为10?
2?
～10?
4?
量级。
这些引线电阻和接触电阻与待测的Rx串联在一起，对低值电阻的测量影响很大。
为减小它们的影响，在双电桥中作了两处明显的改进：
（1）被测电阻和测量盘电阻均采用四端接法。
四端接法示意图如下
图中c1、c2是电流端，通常接电源回路，从而将这两端的引线电阻和接触电阻折合到电源回路的其他串联电阻中；
p1、p2是电压端，通常接测量用的高电阻回路或电流为零的补偿回路，从而使这两端的引线电阻和接触电阻对测量的影响相对减小了。
（2）如下图：
双电桥中增设了两个臂R1和R2，其阻值较高。
流过检流计g的电流为零时，电桥达到平衡，于是可以得到以下三个方程
I3Rx?
I2R2?
I1R2
I3R?
I2R1?
I1R1
I2（R2?
R1）?
（I3?
I2）r
上式中各量的意义相应地与上图中的符号相对应。
解这三个方程可得：
R2R2?
R2R1r
①Rx?
R1R1?
R2?
r?
双电桥在结构设计上尽量做到R2R1?
R2R1，并且尽量今小电阻r，因此可得
同样，在仪器中将R2R1?
c做成比率臂，则
cR②
这样，电阻R和Rx的电压端附近附加电阻（即两端的引线电阻和接触电阻）由于和高阻值臂串联，其影响减小了；
两个外侧电流端的附加电阻串联在电源回路中，其影响可忽略；
两个内侧电流的附加电阻和小电阻r相串联，相当于增大了①式中的r，其影响通常也可忽略。
于是只要将被测低电阻按四端接法接入双电桥进行测量，就可像单电桥那样用②来计算了。
4.直流电桥测电阻及组装数字温度计
（1）非平衡电桥一般平衡电桥测电阻，多是以检流计g为平衡指示器，而非平衡电桥则是将检流计g去掉，通过测量其两端的电压ut来确定电阻，如下图所示：
如果电源e一定，当某桥臂待测电阻Rt（如金属热电阻、电阻应变片、光敏电阻等）
发生变化时，非平衡电桥的输出电压ut也发生变化。
R1R?
u?
e?
非平衡电桥的输出电压公式为t
RR?
Rt2?
1?
③?
一般来说ut与t的关系不是线性的，为了组装数字温度计，适当地选择电桥参数（R1、
R2、R和e），使其非线性项误差很小，在一定的温度范围内呈近似线性关系。
这就是线
性化设计。
（2）互易桥为简单起见，我们利用现有的QJ—23型惠斯通电桥改装成非平衡桥，用铜丝电阻作感温元件，阻值约20?
用惠斯通电桥测量时一般会选c=0.01，将R置于2000?
，由该
电桥线路知，此时R2?
10?
，R1?
1000?
，这样的阻值配比ut测量误差较大，不能满足线性化设计的要求。
现在我们巧改惠斯通电桥，将电源e和检流计g互易位置，这样桥臂阻值之间的关系，就较为合理。
为讨论方便，将这种电源e，检流计g互换的惠斯通电桥称之为互易桥。
将g再换成mV表，就改成互易了的非平衡桥，用它测量ut误差就会减小。
（3）线性化设计
欲组装一个温度范围在0-100℃的铜电阻数字温度计，必须将ut～t的关系线性化，
当采用量程为19.999mV的4
1
数字电压表来显示温度值时，要求显示值：
2
ut?
t（mV）④
10
当温度t=0℃时，u0?
0mV，此时互易桥为平衡桥有：
RRR2
c，0?
c或R?
0R1Rc
式中R0为0℃时铜丝电阻值，R为测量臂电阻，对铜电阻来说，在0-100℃范围内Rt与t市线性关系：
Rt?
t），这样③式可改写为：
1ut?
c1?
c（1?
t）?
⑤
考虑到本实验中选c?
0.01?
1，铜电阻温度系数?
～10
3
/℃，则⑤式还可以进一
步简化为：
ec?
t?
u⑥
（1?
c）2
篇二：
实验一应变片单臂电桥性能实验
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、基本原理：
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则外形的金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r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得
（1—1）
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ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。
对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：
（1—2）
式中：
dL/L为导体的轴向应变量εL;
dr/r为导体的横向应变量εr
由材料力学得：
εL=-μεr（1—3）
μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；
负号表示两者的变化方向相反。
将式（1—3）代入式（1—2）得：
（1—4）
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—5）
其灵敏度系数为：
K=
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；
dR/R 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200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。
＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。
4、箔式应变片的基本结构
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0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。
（a）丝式应变片（b）箔式应变片
图1—1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：
ΔR／R＝Kε式中：
ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
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。
基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1—2应变片测量电路
（a）、单臂
uo＝u①－u③
＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕e
＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝e设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。
则uo≈（1／4）（△R1／R1）e＝（1／4）（△R／R）e＝（1／4）Kε
e
（b）、双臂（半桥）
同理:
uo≈（1／2）（△R／R）e＝（1／2）Kεe
（c）、全桥
uo≈（△R／R）e＝Kεe
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3应变片单臂电桥性能实验原理图
图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；
Rw1和R8组成电桥调平衡网络，e为供桥电源±
4V。
桥路输出电压uo≈（1／4）（△R4／R4）e＝（1／4）（△R／R）e＝（1／4）Kεe。
差动放大器输出为Vo。
三、需用器件与单元：
主机箱中的±
2V～±
10V（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、砝码；
41。
位数显万用表（自备）
四、实验步骤：
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