實(shí)驗(yàn)二電橋測(cè)試(電阻式傳感器的單臂、全橋電橋性能)實(shí)驗(yàn)

1、Ks (12 )-實(shí)驗(yàn)二電橋測(cè)試(1)電阻式傳感器的單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解電阻應(yīng)變式傳感器的基本結(jié)構(gòu)與使用方法。2、掌握電阻應(yīng)變式傳感器放大電路的調(diào)試方法。3、掌握單臂電橋電路的工作原理和性能。二、實(shí)驗(yàn)所用單元電阻應(yīng)變式傳感器、調(diào)零電橋，差動(dòng)放大器板、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、 位移臺(tái)架。三、實(shí)驗(yàn)原理及電路1、電阻應(yīng)變式傳感如圖1-1所示。傳感器的主要部分是上、下兩個(gè)懸臂梁, 四個(gè)電阻應(yīng)變片貼在梁的根部，可組成 單臂、(雙臂)半橋與全橋 電路，最大測(cè) 量范圍為 3mm 。1圖1-1電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)2、電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值發(fā)生變化，這就是變效應(yīng)，其關(guān)系為：

2、 R/ R= KA L/ L=K ，A R為電阻絲變化值，K為應(yīng)變靈 敏系數(shù)，&為電阻絲長(zhǎng)度的相對(duì)變化量 L/L。通過(guò)施加外力引起應(yīng)變片變形， 測(cè)量電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓的變化。對(duì)于金屬應(yīng)變片，Ks主要取決于式中的第一項(xiàng)。金屬的泊松比通常在0.3左右，對(duì)于大多數(shù)金屬Ks取2。本實(shí)驗(yàn)采用直流電橋來(lái)測(cè)量金屬應(yīng)變片的工作特性。3. 電橋的工作原理和特性(1) 電橋的工作原理圖2是一個(gè)直流電橋.A、C端接直流電源，稱供橋端，Uo稱供橋電壓；B、 D端接測(cè)量?jī)x器，稱輸出端UBe=UB(+UC=UR3/(R 3+R)-R 2/(R i+R)1)由式(1)可知，當(dāng)電橋輸出電壓為零時(shí)電橋處于平衡狀態(tài).

3、為保證測(cè)量的 準(zhǔn)確性，在實(shí)測(cè)之前應(yīng)使電橋平衡(稱為預(yù)調(diào)平衡).(2) 電橋的加減特性電橋的四個(gè)橋臂都由應(yīng)變片組成，則工作時(shí)各橋臂的電阻狀態(tài)都將發(fā)生變化 (電阻拉伸時(shí)，阻值增加；電阻壓縮時(shí)，阻值減小 )，電橋也將有電壓輸出.當(dāng)供 橋電壓一定而且 RiVVRi時(shí)，2)d U=( U/ R1) d R1+( U/ R2) dR2+( U/ R3) dR3+( U/ R dR4其中U U BD .對(duì)于全等臂電橋，R1=R2=R3=R4=R，各橋臂應(yīng)變片靈敏系數(shù)K相同，上式可 簡(jiǎn)化為3)d U=0.25U O(d R1 / R1- d R2 / R2+ d R3 / R3- d R4 / R4)當(dāng) Ri

4、vvR時(shí)，此時(shí)可用電壓輸出增量式表示4)U=0.25 Uo ( R1 / R1- R2 / R2+ R3 / R3- R4 / R4)式(4)為電橋轉(zhuǎn)換原理的一般形式，現(xiàn)討論如下：(a) 當(dāng)只有一個(gè)橋臂接應(yīng)變片時(shí)(稱為單臂電橋)，橋臂 R1為工作臂，且 工作時(shí)電阻由R變?yōu)镽+AR,其余各臂為固定電阻R ( R2=R3=R4=0)，則 式(4)變?yōu)閁=0.25 Uo ( R / R)= 0.25 UoK 5)(b) 若兩個(gè)相鄰臂接應(yīng)變片時(shí)(稱為雙臂電橋，即半橋)，(見圖3)即橋 臂R1、R2為工作臂，且工作時(shí)有電阻增量 R1、 R2,而R3和R4臂為固定電阻R(R3= R4=0 ).當(dāng)兩橋臂電阻

5、同時(shí)拉伸或同時(shí)壓縮時(shí)，則有 R1 = R2=R,由式(4)可得 U=0 .當(dāng)一橋臂電阻拉伸一橋臂壓縮時(shí)，則有 R1 = AR, R2=AR,由式（4）可得U 0.25 Uo （ R / R）0.25 Uo K i6）圖3兩個(gè)相鄰臂匸作的膜橋（C）當(dāng)四個(gè)橋臂全接應(yīng)變片時(shí)（稱為全橋），（見圖4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂， R1=A R3= R， R2=A R4= R,則式（4）變?yōu)閁0.25 Uo （ R / R）0.25 Uo K 7）此時(shí)電橋的輸出比單臂工作時(shí)提高了四倍，比雙臂工作時(shí)提高了二倍.圖4全碎口i：的電橋(3) 電橋的靈敏度 電橋的靈敏度SU是單位電阻變化率所對(duì)應(yīng)的輸

6、出電壓的大小Su= U/( R/ R)= 0.25 Uo ( R1 / R1- R2 / R2+ R3 / R3- R4 / R4)/ ( 令 n=( R1 / R1- R2 / R2+ R3 / R3- R4 / R4)/ ( R/ R)則 Su=0.25n Uo式中，n為電橋的工作臂系數(shù).由上式可知，電橋的工作臂系數(shù)愈大，則電橋的靈敏度愈高, 的加減特性來(lái)合理組橋，以增加 n及測(cè)量靈敏度.R/ R) 8)9)10)因此，測(cè)量時(shí)可利用電橋3、電阻應(yīng)變式傳感的單臂電橋電路如圖1-2所示，圖中R1、R2、R3為固定，R為 電阻應(yīng)變片，輸出電壓U=EK11）E-電橋轉(zhuǎn)換系數(shù)：?jiǎn)伪跡= U0/4 半

7、橋（雙臂）E= U0/2全橋E= U04. 由10） 11）可知：Su、 U均與電橋的工作臂數(shù)、Uo供橋電壓成正比；但Uo 供橋電壓過(guò)大會(huì)使應(yīng)變片的溫度變大。R3+5V.+15V nRP2RPI R1 R3 IIR2 tR I4 I iCfe 阻 I 調(diào)零電橋I電阻I 調(diào)零電橋I傳感器IRiR3 IR1R2OP07R4T 0-15V差動(dòng)放大器VRP1圖1-2電阻式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)電路圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1、固定好位移臺(tái)架，將電阻應(yīng)變式傳感器置于位移臺(tái)架上，調(diào)節(jié)測(cè)微器使 其指示15mm左右。將測(cè)微器裝入位移臺(tái)架上部的開口處，旋轉(zhuǎn)測(cè)微器測(cè)桿使 其與電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)桿適度旋緊，然后調(diào)節(jié)兩個(gè)滾花螺母使

8、電阻式應(yīng)變傳 感器上的兩個(gè)懸梁處于水平狀態(tài)，兩個(gè)滾花螺母固定在開口處上下兩側(cè)。倍數(shù)電位器RPi旋鈕（實(shí)驗(yàn)臺(tái)為增益旋鈕）2、 實(shí)驗(yàn)箱上差動(dòng)放大器（實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部已連接15V）,;將差動(dòng)放大器放大 逆時(shí)針旋到終端位置。連接，再將其輸出端接到數(shù)字電壓表20V檔按鍵（實(shí)驗(yàn)臺(tái)為將電壓量程RP2旋鈕，使電壓表指3、用導(dǎo)線將差動(dòng)放大器的正負(fù)輸入端 的輸入端；按下面板上電壓量程轉(zhuǎn)換開關(guān)的 撥到20V檔）；接通電源開關(guān)，旋動(dòng)放大器的調(diào)零電位器 示向零趨近，然后換到2V量程，旋動(dòng)調(diào)零電位器 RP2旋鈕使電壓表指示為零;RPi 0此后調(diào)零電位器RP2旋鈕不再調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)節(jié)增益電位器4、按圖1-2接線，Ri、R2

9、、R3 （電阻傳感器部分固定電阻）與一個(gè)的應(yīng)變 片構(gòu)成單臂電橋形式。5、調(diào)節(jié)平衡電位器RP,使數(shù)字電壓表指示接近零，然后旋動(dòng)測(cè)微器使電壓 表指示為零，此時(shí)測(cè)微器的讀數(shù)視為系統(tǒng)零位。分別上旋和下旋測(cè)微器，每次 0.5mm，上下各2mm，將位移量X和對(duì)應(yīng)的輸出電壓值Uo記入下表中。表1-1X(mm)-0.5-1.0-1.5-2.0-2.50.51.01.52.02.5Uo(mV)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、根據(jù)表1-1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出輸入/輸出特性曲線Uo f(X)，并且計(jì) 算靈敏度和非線性誤差。2、傳感器的輸入電壓能否從+ 5V提高到+ 10V ?輸入電壓的大小取決于什 么？3、分析電橋測(cè)量電阻式傳感器特

10、性時(shí)存在非線性誤差的原因。(2)電阻式傳感器的全橋性能實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆杖珮螂娐返墓ぷ髟砗托阅?。二、?shí)驗(yàn)所用單元同上。三、實(shí)驗(yàn)原理及電路將四個(gè)應(yīng)變片電阻分別接入電橋的四個(gè)橋臂， 兩相鄰的應(yīng)變片電阻的受力方 向不同，組成全橋形式的測(cè)量電路，轉(zhuǎn)換電路的輸出靈敏度進(jìn)一步提高，非線性 得到改善。實(shí)驗(yàn)電路圖見圖3-1，全橋的輸出電壓 U=EK四、實(shí)驗(yàn)步驟1、按實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)步驟1至3進(jìn)行操作。2、按圖3-1接線，將四個(gè)應(yīng)變片接入電橋中，注意相鄰橋臂的應(yīng)變片電阻 受力方向必須相反。R3+5VRPI Jr (r IltR tR I40 IR1.+15VRP2OP07VRP1RbX_調(diào)零電橋I電感阻R4pi4丄3-15V差動(dòng)放大器圖3-1電阻式傳感器全橋?qū)嶒?yàn)電路3、調(diào)節(jié)平衡電位器RP,使數(shù)字電壓表指示接近零，然后旋動(dòng)測(cè)微器使表頭 指示為零，此時(shí)測(cè)微器的讀數(shù)視為系統(tǒng)零位。分別上旋和