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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卜•通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
-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帚:
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乐或电流变化信号输出。
它可用于能转化成变形的齐种菲电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、觅量等,在机械加工、计最、建筑测呈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只有规则外形的金屈导依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!
•、材料的电阻率为P时，根据电阻的定义式得
当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截而积A和电阻率P的变化为dL、dA、dp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：
式中：
dL/L为导体的轴向应变吊dr/r为导体的横向应变最&
由材料力学得：
£l=-per（1—3）
式中：
U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：
禮=（1+2“）E+空
RQ（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最。
（1）、金属导体的应变灵敏度K：
主要収决于其几何效应：
町取
2（1+2戸）Et
（1—5）
其灵敏度系数为：
K=—=（1+2//）
金旭导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增人，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成止比。
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<~df/p。
半导体材料之所以貝有较人的电阻变化率，是因为它有远比金属3体显舌得多的压阻效应。
在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
不同材质的半导体材料在不同受力条件卜•产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻増大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。
也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其於敏度系数较人，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J1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
图1一1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。
电阻丝在外力作用卜发生机械变形时，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：
AR/R=K£式中：
AR/R为电阴丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，e=AL/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圧或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路貝有结构简单、灵敏度高、测量范悯宽、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，单臂工作输出信号址小、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，为了得到较人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）所不。
（aK单臂
Uo=u<&—u③
=（（R1+AR1）/（R1+AR1+R5）-R7/（R7+R6））E
={（（R7+R6）（R1+AR1）-R?
（R5+R1+AR1））/（（R5+R1+AR1）（R：
+R6））}E
设R1=R5=R6=R7,且厶R1/R1=AR/R<<1,AR/R=KE,K为灵敏度系数。
则Uo^（1/4）（ARl/Rl）E=（l/4）（AR/R）E=（1/4）KeE
（b）、双臂（半桥）
同理:
Uo~（1/2）（AR/R）E=（1/2）K£E
（C）、全桥
同理:
Uo~（AR/R）E=KeE
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1一3应变片单臂电桥性能实验原理图
图中R5、R6、R：
为3500固定电阻,R1为应变片;R"和R8组成电桥调平衡网络,E为供桥电源±4Vo桥路输出电压Uo«»（1/4）（AR4/R4）E=（1/4）（AR/R）E=（1/4）KcE。
差动放大器输出为V。
。
三、需用器件与单元：
主机箱中的±2V〜±10V（步进町调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、迫压表：
应变式传感器实验模板、托盘、磁码：
4£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我荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入II、多芯插头、应变片测量电路、差动放人器组成。
实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右卜）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称更传感器上的应变片输出II;没有文字标记的5个电阻符兮足空的无实体，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、R：
是350QIAI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II,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II,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1一4所示。
图1-5测量应变片的阻值示意图
2、实验模板中的差动放大器调冬：
按图1一6示盘接线，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i吴后介上主机箱电源开关：
调节放人器的增益电位器R・3介适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放人器的调零电位器Rvb使电压表显示为零。
图1—6差动放大器调零接线示意图
3、应变片单臂电桥实验：
关闭主机箱电源，按图1一7示意图接线，将土2V〜土10V町
调电源调节到±4V档。
检查接线无误后介上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡
电位器RW使主机箱电斥表显示为零；在传感器的托盘匕依次增加放置一只20g祛码（尽
量靠近托盘的中心点放宣），读取相应的数显表电压值，记卜.实验数据填入农1。
图1一7应变片单臂电桥实验接线示意图
表1应变片单臂电桥性能实验数据
重量（g）
0
电乐（mV）
0
4、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S=AV/AW（AV输出电压变化量，AWM
最变化量）和非线性误差6=Am/yFSX100%式中Am为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最人偏差：
yFS满量程输出平均值，此处为200go实验完毕，关闭电源。
实验二应变片半桥性能实验
一、实验目的：
了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验-。
应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。
不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边.输出灵敏度提高，非线性得到改善。
其桥路
输出电压Uo^（1/2）（AR/R）E=（1/2）KeE。
三、需用器件与单元：
主机箱中的±2V〜±10V（步进可调）11流稳压电源、±15VB：
流稳圧电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、舷码。
四.实验步骤:
1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。
2、关闭主机箱电源，除将图1一7改成图2-2示意图接线外，其它按实验一中的步骤
4实验。
读取相应的数显表电压值，填入表2中。
表2应变片半桥实验数据
觅量（g）
0
电压（mV）
0
3、根据表2实验数据作出实验曲线，计算灵敏度S=aV/aW.非线性误差6。
实验完
毕，关闭电源。
五、思考题：
半桥测呈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。
实验三应变片全桥性能实验
一、实验目的：
了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验一。
应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。
应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。
当应变片初始阻值:
R1=R2=R3=R4,其变化值AR1=AR2=AR3=AR1时，其桥路输出电压Uo^（AR/R）E=Ke£o其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
图3-1应变片全桥性能实验接线示意图
3.需用器件和单元：
主机箱中的±2V〜土10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳汗电源、电斥表：
应变式传感器实验模板.托盘、砥码。
四、实验步骤：
实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出
实验曲线并进彳j咲敏度和非线性误差计算。
实验完毕，关闭电源。
图3-2应变片全桥性能实验接线示意图
表3全桥性能实验数据
重量（g）
电压（mV）
五、思考题:
测量中,当两组对边（Rl、R3为对边）电阻值R相同时,即R1=R3>R2=R4,而RIH
R2时，是否可以组成全桥：
（1）H以
（2）不町以。
水实验四应变片单臂、半桥.全桥性能比较
1.实验目的：
比较单臂、半桥.全桥输出时的杲敏度和非线性度，得出相应的结论。
2.
基本原理：
如图4（a）、（b）.（c）
图4应变电桥
（a）xUo=U①一U③
=（（R1+AR1）/（R1+AR1+R2）-R4/（R3+R4））E
=（（1+AR1/R1）/（1+AR1/R1+R2/R2）一（R4/R3）/（1+R1/R3））E
设R1=R2=R3=R4・且厶R1/R1VV1。
Uo~（l/4）（AR1/RDE
所以电桥的电压灵敏度:
S=Uo/（ARl/Rl）^kE=（1/4）E
（b）、同理:
Uo^（l/2）（AR1/RDE
S=（1/2）E
（C）、同理:
（ARI/R1）E
S=E
三、需用器件与单元：
主机箱中的土2V〜±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V1I流稳斥电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、舷码。
四、实验步骤：
根据实验-、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度,从理论上进行分析比较。
经实验验证阐述理由（注意：
实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。
实验完毕，关闭电源。
实验五应变片直流全桥的应用一电子秤实验
一、实验目的：
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理：
常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。
数字电子秤实验原理如图5—1。
本实验只做放人器输出V。
实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为巫量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。
图5-1数字电子称原理框图
三、需用器件与单元：
主机箱中的±2V〜±10V（步进町调）直流稳乐电源、±15V直流稳压电源、电压表：
应变式传感器实验模板、托盘、磁码。
四、实验步骤：
1、按实验一中的1和3步骤实验。
2、关闭主机箱电源，按图3—2（应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将
±2V〜±10V诃调电源调节到±4V档。
检查接线无谋石合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；
3、将10只祛码全部置于传感器的托盘上，调节电位器R・3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200VC2V档测最）。
4、拿去托盘上的所白磁码，考虑到弹性元件的弹性变形回复时间，需要等待数分钟，再调节电位器RV1（零位调节）使数显表显示为0.000V。
5、重复3、4步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压最纲V改为更呈纲g,将琏码依次放在托盘上称重：
放上笔、钥匙之类的小东西称一卜重量。
实验完毕，关闭电源。
实验六应变片的温度影响实验
一、实验目的：
了解温度对应变片测试系统的影响。
二、基本原理：
电阻应变片的温度影响，主要來自两个方面。
敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。
因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会令变化。
三、需用器件与单元：
主机箱中±2V〜土10V（步进可调）直流稳压电源、±15VI1流稳圧电源、电压表；应变传感器实验模板、托盘、磁码、加热器（在实验模板上，已粘贴在应变传感器左下角底部）。
四、实验步骤：
1、按照实验三实验。
2、将200gSt码放在托盘上，在数显表上读取记录电压值Uol。
3、将主机箱中直流稳压电源+5V、丄接于实验模板的加热器+5V、丄插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记卜•读数Uot,UofJol即为温度变化的影响。
计算这一温度变化产生的相对误差：
实骏完毕，关闭电源。
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