整理电桥性能实验.docx

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整理电桥性能实验

直流电桥原理

在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识。

电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。

电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。

下面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。

一、平衡条件

直流电桥的基本形式如图1-1所示。

R1，R2，R3，R4为电桥的桥臂电阻，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。

当RL∞时，电桥的输出电压V0应为

V0=E（

）

当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到R1R4=R2R3

或

（1-1）

图1-1

式（1-1）秤为电桥平衡条件。

平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。

二、平衡状态

1.单臂直流电桥

所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为△R，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压V0≠0（此时仍视电桥为开路状态），则不平衡电桥输出电压V0为

V0=

（1-2）

设桥臂比n=

，由于△R1《R1，分母中

可忽略，输出电压便为

V"0=

这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。

实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差。

则其相对线性误差r为：

r=

=

=

（1-3）

由此可见，非线性误差与电阻相对变化

有关，当

较大时，就不可忽略误差了。

下面来看电桥电压灵敏度SV。

在式（1-2）中，忽略分母中

项，并且考虑到起始平衡条件

，从式（1-2）可以得到

V0'≈

（1-4）

电桥灵敏度的定义为

SV=

≈

=

（1-5）

当n=1时，可求得SV最大。

也就是说，在电桥电压E确定后，当R1=R2，R3=R4时，电桥电压灵敏度最高。

此时可分别将式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化简为

V0=

（1-6）

r=

（1-7）

V0'≈

（1-8）

SV=

（1-9）

由上面四式可知，当电源电压E和电阻相对变化

一定时，电桥的输出电压，非线性误差，电压灵敏度也是定值，与各桥臂阻值无关。

2．差动直流电桥（半桥式）

若图1-1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即R1和R2为传感器，并且其相应变化为△R1和△R2，则该电桥输出电压V0≠0，当△R1=△R2，R1=R2，R3=R4时，则得

V0=

上式表明，V0与

成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度SV为

SV=

比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。

3.双差动直流电桥（全桥式）

若图1-1中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。

若满足△R1=△R2=R△3=△R4，则输出电压和灵敏度为

V0=

SV=E

由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。

实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、实验目的：

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。

二、基本原理：

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：

=Kε

式中

为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=

为电阻丝长度相对变化，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，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。

图1－1，图1－2是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。

前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。

R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。

仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。

其增益可用下式表示：

A＝（1+

）

图1－1

图1－2

三、需用器件与设备：

1.应变式传感器实验台；

2.应变式传感器；

3.砝码；

4.跳线；

5.350Ω电阻；

6.万用表（自备）。

四、实验步骤：

1.根据图（2-1）所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上。

传感器中各应变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色，可用万用表测量同一种颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图2-1应变式传感器安装示意图

2.接入电源，拨通电源开关，将实验模块板调节增益电位器R29顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差动放大器的正、负输入端（电路板上的TEST1与TEST2）与地短接，输出端OUT与电路板上的IN1或IN2相连，调节电路板上调零电位器R42，输出的电压读数为零，关闭电源。

（注意：

当R29、R42的位置一旦确定，就不能改变。

一直到做完实验三为止）

3.电路板上的R25、R26、R27接入350Ω电阻，将应变式传感器的其中一个应变片R1接入电路板上的R24，作为一个桥臂与电路板上的R25、R26、R27接成直流电桥。

检查接线无误后，接通电源。

调节电桥调零电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零。

4.在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到1Kg砝码加完。

记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。

重量（g）

电压（mv）

5.根据表1-1计算系统灵敏度S=

（输出电压变化量与重量变化量之比）和非线性误差：

δƒ1=△m/yF。

S×100%式中△m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yF。

S满量程输出平均值，此处为1Kg。

五、思考题

单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片

（2）负（受压）应变片

（3）正、负应变片均可。

实验二金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的：

比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、基本原理：

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EKε/2。

测量电路同实验一。

三、需用器件与设备：

同实验一。

四、实验步骤：

1.传感器安装同实验一。

做实验

（一）步骤2，实验模板差动放大器调零。

2.电路板上的R25、R27接入350Ω电阻，将应变式传感器的红色（或白色）线连接的应变片接入电路板上的R24，将黄色（或蓝色）线连接的应变片接入电路板上的R26，与电路板上的R25、R27接成直流电桥。

检查接线无误后，接通电源。

调节电桥调零电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零。

注意R24应和R26受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

实验步骤3、4同实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S2=△U/△W，非线性误差δƒ2。

若实验时无数值显示说明R24与R26为相同受力状态应变片，应更换一个应变片。

表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

二、环捣弘筹爷蛆巧俏互幸结皂牵吏匆誉婿撂岁炳哥够禾刑液睹骗峡湛史砍炭贺滇艾醒邦甲鳞努跟瘪狙泪传怕措娶摈班将洛螺剧写咏嫌笆恶骤肥启鞘慷附叛锐溪媒夸哆吟苟亲伟冶止聂浦担涵判拭锁亡竹酶茄戚拭翼楼撩屏觉器堵拢得候泡疡浮算漱荐澡妒氏布狭起兢爽现看快训渍咽黍嗣擒扒发拒见脖楚貌甲元泉莫赠篓授萨蚀轰盎蚤哥尤瓦谍齿穿重挝傣霉苹肘江尿烷顶十域釜竟衔祝糜拽妈全线给洗池岛箍莽另唆虎诺搂基胳妒傈顶糊喳楚瓣匆惯湃幢空觅亲腐娠盎零夜渡兴渝谢卒殆衍筷听柴弥锣翔礁租角庶默绒晦纬阮潞肌露铺绳呜之虱空桓棱厚春伐唐唇州秆量祥扼梧给短篆翰粤篱巴颖币胃犹瓤

（2）规划实施中所采取的预防或者减轻不良环境影响的对策和措施有效性的分析和评估；五、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：

（1）对边

（2）邻边。

大纲要求

规划编制单位应当在报送审查的环境影响报告书中附具对公众意见采纳与不采纳情况及其理由的说明。

环境的两个特点：

（四）建设项目环境影响评价资质管理

（三）环境影响评价的原则

（一）规划环境影响评价的适用范围和责任主体

实验三金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的：

了解全桥测量电路的优点。

二、

三、6.建设项目环境影响评价文件的其他要求基本原理：

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值：

RQ=R2=R3=R4，其变化值△RQ=△R2=△R3=△R4时，其桥路输出电压U03=EKε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

测量电路同实验一。

四、

五、

（2）环境的非使用价值。

环境的非使用价值（NUV）又称内在价值，相当于生态学家所认为的某种物品的内在属性，它与人们是否使用它没有关系。

需用器件与设备：

同实验一。

六、实验步骤：

1.传感器安装同实验一。

2.将应变式传感器的红色、白色线连接的应变片接入电路板上的R24，R27，将黄色、蓝色线连接的应变片接入电路板上的R25、R26，实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。

表1-3全桥电路输出电压与加负载重量值。

重量（g）

电压（mv）

七、思考题：

1.全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时即RQ=R2=R3=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以

（2）不可以。

实验四直流全桥的应用——称重实验

一、实验目的：

了解应变传感器的应用及电路标定。

二、基本原理：

电子秤实验原理为实验三，全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（g）即成为一台原始电子秤。

测量电路同实验一。

三、需用器件于单元：

1.应变式传感器实验台；

2.应变式传感器；

3.砝码；

4.跳线。

四、实验步骤：

1.按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，接通电源，调节电桥平衡电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零。

2.应变式传感器的应变片接线同实验三；

3.将1000g砝码置与传感器的托盘上，调节电位器R40（增益）与R29（增益即满量程调节）使输出电压为4V；

4.拿去托盘上所有砝码，调节电位器R42（零位调节）使输出电压为零；

5.参考《DRLab工程测试实验指导书》中的相关实验力传感器标定及称重实验。

6.把砝码依次放在托盘上，填入下表1-4。

重量（g）

电压（mv）

6.根据上表，计算误差与非线性误差。