应变片实验

实验二十五直流电桥与金属箔式应变片性能一、实验目的1.了解金属箔式应变片、单臂电桥的工作原理和工作情况。2.验证金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的性能及其相互关系。二、实验所需部件CSY10B传感器系统实验仪、应变式传感器、金属箔式应变片、铜质砝码、电桥模块、差动放大器、数显电压表。三、实验原理1、电阻应变式传感器简介1.1、电阻应变式传感器的结构将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量（如受力）时将产生变形，其表面产生应变。粘贴在种弹性敏感元件上的电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。电阻应变片的作用实际上就是传感器中的转换元件。1.2、电阻应变片的工作原理金属的应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化的现象称为“金属的电阻应变效应”。利用金属应变效应制造的电阻应变片常见的有“丝式”和“箔式”。这种应变片电阻温度系数较小，但灵敏度较低。半导体压阻效应：半导体材料的电阻随作用应力而变化。利用半导体压阻效应制造的电阻应变片一般为“单根状”。这种应变片灵敏度较高，但电阻温度系数较大。此外还有“薄膜应变片”，是一种很有前途的新型应变片。1.3、电阻应变片的主要参数（1）电阻值R0指未安装的应变片，在不受外力的情况下，室温条件下测定的电阻值，也称原始值。应变片的电阻值趋于标准化，有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等等，其中120Ω为最常用。（2）绝缘电阻：一般应大于1010Ω。（3）灵敏系数K（4）允许电流MaxI2、测量原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，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：KRRR＝（1）式中，RRR＝为电阻丝电阻相对变化量，K为应变灵敏系数,ll为电阻丝长度相对变化量。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并通过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。其电路原理图如图1所示，电桥输出给差动放大器的电压为ERRRRRRRRU))((41324321(图中，1R与2R、3R与4R构成对臂，R1与R3、R1与R4、R2与R3、R2与R4分别构成邻臂)；所以，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输图1原理图出为零。在桥臂四个电阻4321RRRR、、、中，电阻的相对变化量分别为11RR、22RR、33RR、44RR，假设有：，RRRRR4321当使用一个应变片时，电桥的电阻相对变化量RRR单，此电桥称为单桥；当用相邻的两个应变片组成差动状态工作(即：一个应变片为拉伸型应变片，邻臂的那个应变片为压缩型应变片)构成双臂电桥时，则电桥的电阻相对变化量RRR2半，此电桥称为半桥；当用四个应变片组成双差动状态工作，构成一个全桥电桥时，则电桥的电阻相对变化量RRR4全。电桥的灵敏度定义是：电桥的输出电压（或输出电流）与被测应变片在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化量之间的比值，即：RRUSo；而输出电压oU，根据戴维南定理可近似得到REKEUo4141。已知单桥、半桥和全桥电路的R分别为RR、RR2、RR4，于是对应单桥、半桥和全桥的电桥灵敏度分别为E41、E21和E。由表达式可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；也由此可知，当E和电阻相对变化量一定时，电桥灵敏度与各桥臂阻值的大小无关，这样在实际测量中可以简便很多了。四、实验内容1.单臂电桥灵敏度测量(1)将差动放大器调零：开启主、副电源，将稳压电源的切换开关置V4档，用导线将差动放大器的正（＋）、负（－）输入端与地短接，将差动放大器的输出端与电压/频率表（V/F表）的输入插口“IN”相连（电压表的接地插口不必连接，内部导线已经接地），调节差动放大器的增益旋转到适中位置；然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，然后关闭主、副电源。(2)根据图2接线。321RRR、、为电桥单元的固定电阻；XRR4为应变片。将稳压电源的切换开关置V4档，电压/频率表（V/F表）置20V档。(3)开启主、副电源，调节电桥平衡网络中DW使电压表显示为零，然后将电压表置2V档，再调节电桥DW（慢慢的调），电压表显示为零。（4）在支架上依次放上20g、40g、60g……200g铜质砝码，测量对应输出电压。记录数据于表1。(放上第一个铜质砝码时观察一下电压表读数的变化情况，如果示数起伏的大，可适当减少差动放大器的增益；如果示数没有变化，可适当增大差动放大器的增益)表1单桥实验测量数据重量M(g)020406080100120140160180200电压V(mv)（5）作出V～M曲线，求出灵敏度MVS/单。2.半桥灵敏度测量保持差动放大器增益不变，将1R固定电阻换为与4R工作状态相反的另一应变片，即邻臂取二片受力方向相同的应变片，形成半桥，重复上述测量过程，并将测量数据填入下表，作出V～M曲线，求出半桥的灵敏度。表2半桥实验测量数据重量M(g)020406080100120140160180200电压V(mv)3.全桥灵敏度测量保持差动放大器增益不变，将32RR，两固定电阻换成另外两片受力应变片（即2R换成、3R换成，而1R保持为、4R保持为，组桥原则是：邻臂相反，对臂相同，否则相互抵消没有输出）形成全桥电路，重复上述测量过程，并将测量数据填入下表，作出V～M曲线，求出全桥的灵敏度。表3全桥实验测量数据重量M(g)020406080100120140160180200电压V(mv)实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。五、实验数据处理同一坐标纸上描出V～M曲线，比较三种接法的灵敏度。注意事项1.金属箔式应变片性能测试－单臂电桥(1)电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，目的是实验中组桥容易。(2)做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。2.金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥的比较(1)在更换应变片时应将电源关闭。(2)在实验过程中如有发现电压表发生过载（显示为“1”或“-1”），应将电压量程扩大。(3)在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。(4)直流稳压电源V4不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。(5)接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。六、思考题1.本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？2.单臂、半桥、全桥的连接方法各有几种？3.桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。