应变电桥特性应用实验报告文档格式.docx
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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：
应变传感器实验模板说明：
应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。
实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；
没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；
R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。
加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。
多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。
1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。
图1—4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R1、R2、R3、R4的阻值。
在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、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1—5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1—6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合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器Rw4，使电压表显示为零。
篇三：
检测实验一实验报告
实验一传感器实验
班号学号：
姓名同组同学
1、电阻应变片传感器
（1）了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
（2）了解半桥的工作原理，比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点（3）了解全桥测量电路的原理及优点。
（4）了解应变直流全桥的应用及电路的标定二、实验数据
三、实验结果与分析1、性能曲线
A、单臂电桥性能实验
由实验数据记录可以计算出的系统的灵敏度s=Δu/Δw=0.21（mV/g），所以运用直线拟合可以得到特性曲线如下图所示。
b、半桥性能实验
由实验记录的数据我们可以得到半桥系统的灵敏度为s=Δu/Δw=0.41（mV/g），所以我们可以运用直线拟合实验数据得到性能曲线如下图所示。
c、全桥性能实验
由实验记录的数据我们可以得到全桥系统的灵敏度为s=Δu/Δw=0.78（mV/g），所以我们可以运用直线拟合实验数据得到性能曲线如下图所示。
D、电子称实验
由实验记录的数据我们可以得到全桥系统的灵敏度为s=Δu/Δw=-1（mV/g），所以我们可以运用直线拟合实验数据得到性能曲线如下图所示。
2、分析
a、从理论上分析产生非线性误差的原因
由实验原理我们可以知道，运用应变片来测量，主要是通过外界条件的变化来引起应变片上的应变，从而可以引起电阻的变化，而电阻的变化则可以通过电压来测得。
而实际中，电阻的变化与应变片的应变的变化不是成正比的，而是存在着“压阻效应”，从而在实验的测量中必然会引起非线性误差。
b、分析为什么半桥的输出灵敏度比单臂时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。
首先我们由原理分析可以知道，单臂电桥的灵敏度为e0=（ΔR/4R0）*ex，而半桥的灵敏度为e0=（ΔR/2R0）*ex，所以可以知道半桥的灵敏度是单臂时的两倍，而由实验数据中我们也可以看出，而由于半桥选用的是同侧的电阻，为相邻两桥臂，所以可以知道e0=（ΔR1/R0-Δ
R2/R0）*ex/4，而ΔR1、ΔR2的符号是相反的，同时由于是同时作用，减号也可以将温度等其他因素引起的电阻变化的误差减去而使得非线性误差得到改善。
c、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出结论。
由实验数据我们可以大致的看出，灵敏度大致上为s全=2s半=4s单，而非线性度可以比较为单臂>
半桥>
全桥，有理论上分析，我们也可以得到相同的结果。
主要是因为有电桥电路的原理分析可知：
e0=（ΔR1/R-ΔR2/R+ΔR3/R-ΔR4/R）*ex/4，所以我们可以得到全桥的灵敏度等于半桥的两倍，单臂的四倍，而非线性度我们也可以得到单臂最差，因为其他因素影响大，而半桥、全桥由于有和差存在，将其他因素的影响可以略去。
所以非线性度相对来说较好。
d、分析什么因素会导致电子称的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。
主要是在于传感器的精度以及测量时的误差会导致电子称的非线性误差增大，我们可以通过增加传感器的精度，同时减少传感器的非线性误差，通过全桥连接来减小，同时注意零点的设置，来消除非线性误差。
若要增加输出灵敏度，可通过选取适当的电桥电路来改变，比如原来是半桥的改为全桥则可以增加输出灵敏度。
四、思考题
1，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：
（2）邻边。
2，桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：
（2）应变片的应变效应是非线性的。
3，全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：
（1）可以
4，某工程技术人员在进行材料测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片
组成电桥，是否需要外加电阻。
不需要，只需如图中右图即可。
2、差动变压器
（1）了解差动变压器的工作原理和特性。
（2）了解三段式差动变压器的结构。
（3）了解差动变压零点残余电压组成及其补偿方法。
（4）了解激励频率对差动变压器输出的影响。
二、实验数据
A、差动变压器的性能测试
三、实验结果与分析1、特性曲线
A、差动变压器的性能测定
由实验数据我们就可以得到微头右移与左移的特性曲线，如下图所示。
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