1、周康 海洋技术 1121 班 学号：201212922132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。
2、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 时，根据电阻的定义式得（11）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 的变化为 dL、dA、d 相应的电阻变化为 dR。对式（11）全微分得电阻变化率 dR/R 为：（12）式中：dL/L 为导体的轴向应变量 L; dr/r 为导体的横向应变量 r 由材料力学得： L= - r (13)4）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
3、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（15）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。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
4、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 11 所示。(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片图 11 应（a）、单臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E设 R1R5R6R7，且R1R1RR 1，RRK，K 为灵敏度系数。则 Uo(14)(R1R1)E(14)(RR)E(14)KE(b)、双臂(半桥)同理:Uo(12)(RR)E(12)K E(C)、全桥同理:Uo(RR)EKE6、箔式应变片单臂电桥实验原理图图 13 应变片单臂电
5、桥性能实验原理图图中 R5、R6、R7 为 350 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(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差动放大器输出为 Vo。三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（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； 4 位数显万用表（自备）。21四、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)
6、、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 350 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 14 所示。图 14 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、R
7、4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 15 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 16 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。图 16 差动放在器调零接线示意图表 1 应变片单臂电桥性能实验数据重量(g) 0 20 40 60 80 100
8、120 140 160电压(mV) 0 0.2 -4.4 -9.1 -13.8 -18.6 -23.5 -23.7 -285、根据表 1 数据作出曲线并计算系统灵敏度 SV/W（V 输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差 ，=m/yFS 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：yFS 满量程输出平均值，此处为 200g。实验完毕，关闭电源。一、数据分析：1.根据实验数据，通过计算，得到了相关数据和画出了最小二乘拟合曲线2.计算灵敏度 S=U/WU=-5.3mv W=20g S=-0.192=m/yFs100%=2.063/-28100%=7.36%3.问题与讨论
9、 ：分析实验 的不足之处以及如何改进 ，回答实验手册文档上的思考题1. 在 实验 中，调零可能会有误差2. 称量 时 ，会有人为的因素在里面，会导致误差实验二 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。掌握测量方法。二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图 21 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(12)(RR)E(12)K E 。图 21 应变片半桥特性实验原理图三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（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
10、模板、托盘、砝码。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 17 改成图 22 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。图 22 应变片半桥实验接线示意图表 2 应变片半桥实验数据重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-0.3 8.9 19.0 25.8 36.3 44.8 54.7 64.9 75.5 85.5电压(mV)0.1 9.2 19.3 25.1 36.6 45.2 56.0 65.3 76.5 85.73、根据表 2 实验数据作出实验
11、曲线。实验完毕，关闭电源。五、思考题：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：答：在临边。因为在临边时,中点的电位变化的才能和另外的参考点进行比较,如果不在临边, 也就会出现当两个应变片都发生变化时,与他们对应电阻的电位差可能会出现 0 的情况.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 31 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：R1R2R3R4，其变化值 R1R2R3R4 时，其桥路输出电压 Uo(RR)EK
12、 E。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。图 31 应变片全桥特性实验接线示意图三、需用器件和单元：主机箱中的2V10V（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。四、实验步骤：实验步骤与方法（除了按图 32 示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表 3 作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。图 32 应变片全桥性能实验接线示意图表 3 全桥性能实验数据根据表 3 实验数据作出实验曲线。五、思考题：测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）电阻值 R 相同时，即 R1R3，R2R4，而R1R2 时，是否可以组成全桥：答：可以的.当两对边电阻相等时,电桥平衡.实验五 应变片直流全桥的应用电子秤实验一、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 51。本实验只做放大器输出 Vo 实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。图 51 数字电子称原理框图三、需用器件与单元：主机箱中的2V10V（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。四、实验步骤：
