實驗二電橋測試(電阻式傳感器的單臂、全橋電橋性能)實驗

1、Ks (12 )-實驗二電橋測試(1)電阻式傳感器的單臂電橋性能實驗一、實驗目的1、了解電阻應變式傳感器的基本結構與使用方法。2、掌握電阻應變式傳感器放大電路的調試方法。3、掌握單臂電橋電路的工作原理和性能。二、實驗所用單元電阻應變式傳感器、調零電橋，差動放大器板、直流穩(wěn)壓電源、數字電壓表、 位移臺架。三、實驗原理及電路1、電阻應變式傳感如圖1-1所示。傳感器的主要部分是上、下兩個懸臂梁, 四個電阻應變片貼在梁的根部，可組成 單臂、(雙臂)半橋與全橋 電路，最大測 量范圍為 3mm 。1圖1-1電阻應變式傳感器電阻應2、電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其阻值發(fā)生變化，這就是變效應，其關系為：

2、 R/ R= KA L/ L=K ，A R為電阻絲變化值，K為應變靈 敏系數，&為電阻絲長度的相對變化量 L/L。通過施加外力引起應變片變形， 測量電路將電阻變化轉換為電流或電壓的變化。對于金屬應變片，Ks主要取決于式中的第一項。金屬的泊松比通常在0.3左右，對于大多數金屬Ks取2。本實驗采用直流電橋來測量金屬應變片的工作特性。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端接測量儀器，稱輸出端UBe=UB(+UC=UR3/(R 3+R)-R 2/(R i+R)1)由式(1)可知，當電橋輸出電壓為零時電橋處于平衡狀態(tài).

3、為保證測量的 準確性，在實測之前應使電橋平衡(稱為預調平衡).(2) 電橋的加減特性電橋的四個橋臂都由應變片組成，則工作時各橋臂的電阻狀態(tài)都將發(fā)生變化 (電阻拉伸時，阻值增加；電阻壓縮時，阻值減小 )，電橋也將有電壓輸出.當供 橋電壓一定而且 RiVVRi時，2)d U=( U/ R1) d R1+( U/ R2) dR2+( U/ R3) dR3+( U/ R dR4其中U U BD .對于全等臂電橋，R1=R2=R3=R4=R，各橋臂應變片靈敏系數K相同，上式可 簡化為3)d U=0.25U O(d R1 / R1- d R2 / R2+ d R3 / R3- d R4 / R4)當 Ri

4、vvR時，此時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)為電橋轉換原理的一般形式，現討論如下：(a) 當只有一個橋臂接應變片時(稱為單臂電橋)，橋臂 R1為工作臂，且 工作時電阻由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) 若兩個相鄰臂接應變片時(稱為雙臂電橋，即半橋)，(見圖3)即橋 臂R1、R2為工作臂，且工作時有電阻增量 R1、 R2,而R3和R4臂為固定電阻R(R3= R4=0 ).當兩橋臂電阻

5、同時拉伸或同時壓縮時，則有 R1 = R2=R,由式(4)可得 U=0 .當一橋臂電阻拉伸一橋臂壓縮時，則有 R1 = AR, R2=AR,由式（4）可得U 0.25 Uo （ R / R）0.25 Uo K i6）圖3兩個相鄰臂匸作的膜橋（C）當四個橋臂全接應變片時（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）此時電橋的輸出比單臂工作時提高了四倍，比雙臂工作時提高了二倍.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應的輸

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.由上式可知，電橋的工作臂系數愈大，則電橋的靈敏度愈高, 的加減特性來合理組橋，以增加 n及測量靈敏度.R/ R) 8)9)10)因此，測量時可利用電橋3、電阻應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 電阻應變片，輸出電壓U=EK11）E-電橋轉換系數：單臂E= 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、Uo供橋電壓成正比；但Uo 供橋電壓過大會使應變片的溫度變大。R3+5V.+15V nRP2RPI R1 R3 IIR2 tR I4 I iCfe 阻 I 調零電橋I電阻I 調零電橋I傳感器IRiR3 IR1R2OP07R4T 0-15V差動放大器VRP1圖1-2電阻式傳感器單臂電橋實驗電路圖四、實驗步驟1、固定好位移臺架，將電阻應變式傳感器置于位移臺架上，調節(jié)測微器使 其指示15mm左右。將測微器裝入位移臺架上部的開口處，旋轉測微器測桿使 其與電阻應變式傳感器的測桿適度旋緊，然后調節(jié)兩個滾花螺母使

8、電阻式應變傳 感器上的兩個懸梁處于水平狀態(tài)，兩個滾花螺母固定在開口處上下兩側。倍數電位器RPi旋鈕（實驗臺為增益旋鈕）2、 實驗箱上差動放大器（實驗臺內部已連接15V）,;將差動放大器放大 逆時針旋到終端位置。連接，再將其輸出端接到數字電壓表20V檔按鍵（實驗臺為將電壓量程RP2旋鈕，使電壓表指3、用導線將差動放大器的正負輸入端 的輸入端；按下面板上電壓量程轉換開關的 撥到20V檔）；接通電源開關，旋動放大器的調零電位器 示向零趨近，然后換到2V量程，旋動調零電位器 RP2旋鈕使電壓表指示為零;RPi 0此后調零電位器RP2旋鈕不再調節(jié)，根據實驗適當調節(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）與一個的應變 片構成單臂電橋形式。5、調節(jié)平衡電位器RP,使數字電壓表指示接近零，然后旋動測微器使電壓 表指示為零，此時測微器的讀數視為系統(tǒng)零位。分別上旋和下旋測微器，每次 0.5mm，上下各2mm，將位移量X和對應的輸出電壓值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、實驗報告1、根據表1-1中的實驗數據，畫出輸入/輸出特性曲線Uo f(X)，并且計 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、分析電橋測量電阻式傳感器特

10、性時存在非線性誤差的原因。(2)電阻式傳感器的全橋性能實驗、實驗目的掌握全橋電路的工作原理和性能。二、實驗所用單元同上。三、實驗原理及電路將四個應變片電阻分別接入電橋的四個橋臂， 兩相鄰的應變片電阻的受力方 向不同，組成全橋形式的測量電路，轉換電路的輸出靈敏度進一步提高，非線性 得到改善。實驗電路圖見圖3-1，全橋的輸出電壓 U=EK四、實驗步驟1、按實驗一的實驗步驟1至3進行操作。2、按圖3-1接線，將四個應變片接入電橋中，注意相鄰橋臂的應變片電阻 受力方向必須相反。R3+5VRPI Jr (r IltR tR I40 IR1.+15VRP2OP07VRP1RbX_調零電橋I電感阻R4pi4丄3-15V差動放大器圖3-1電阻式傳感器全橋實驗電路3、調節(jié)平衡電位器RP,使數字電壓表指示接近零，然后旋動測微器使表頭 指示為零，此時測微器的讀數視為系統(tǒng)零位。分別上旋和