实验二电桥测试(电阻式传感器的单臂、全桥电桥性能)实验

1、实验二电桥测试(1)电阻式传感器的单臂电桥性能实验一、实验目的1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥，差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、 位移台架。三、实验原理及电路1、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁, 四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成 单臂、(双臂)半桥与全桥 电路，最大测 量范围为土 3mm1外壳2 电阻应变片 3 测杆4 等截面悬臂梁 5 面板接线图图1-1电阻应变式传感器2、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值

2、发生变化，这就是 电阻应 变效应，其关系为： R/ R= KA L/ L=K , R为电阻丝变化值，K为应变灵敏 系数，&为电阻丝长度的相对变化量 L/ L。通过施加外力引起应变片变形，测 量电路将电阻变化转换为电流或电压的变化。Ks (12 )对于金属应变片，Ks主要取决于式中的第一项。金属的泊松比通常在0.3左右，对于大多数金属KS取2。本实验采用直流电桥来测量金属应变片的工作特性。3 电桥的工作原理和特性(1) 电桥的工作原理图2直流电桥感理图2是一个直流电桥.A、C端接直流电源，称供桥端，U0称供桥电压；B、D 端接测量仪器，称输出端UBe=UB(+UCd=UR3/(R 3+R)-R

3、2/(R 1+R)1)由式(1)可知，当电桥输出电压为零时电桥处于平衡状态为保证测量的 准确性，在实测之前应使电桥平衡(称为预调平衡).(2) 电桥的加减特性电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化 (电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出当供 桥电压一定而且 RR时，d U=( U/ R) d R 1+(U/ R) dR 2+( U/ R) dR 3+(U/ R) dR 42)其中U Ubd .对于全等臂电桥，R=R=Rb=R4=R,各桥臂应变片灵敏系数K相同，上式可简化 为d U=0.25UO(d R / R- d R / R+ d /

4、F3- d F4 / Ri)3)当厶RivvR时，此时可用电压输出增量式表示U=0.25 U 0 (R1 / R 1- R2 / R 2+R3 / R 3-R4 / R 4)4)式(4)为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：(a) 当只有一个桥臂接应变片时(称为单臂电桥)，桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R变为R+AR,其余各臂为固定电阻R ( R=AR=AR=0),则式(4)变为U=0.25 U0(R / R)= 0.25 UOKc5)（b）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥），（见图 3）即桥 臂R、R为工作臂，且工作时有电阻增量 R、而R3和R臂为固定电阻R（R= R=0）.当

5、两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时， 则有 Ri=A R2= R,由式（4）可得 U=0.当 一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有 R=AR R=AR,由式（4）可得U0.25 Uo （ R / R）0.25 U o K 6）.图3两个相邻臂I作的电桥（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R=R=RfRfR,都是工作臂， R=A = R, R2= R4= R,则式（4）变为U0.25 Uo （R / R）0.25 U o K 7）此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍.图4全宵匸作的电桥(3) 电桥的灵敏度 电桥的灵敏度SU是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小S

6、u=U/( R/ R)= 0.25 U O (Ri/ Ri-R2/ R2+R3/ R3-R4/ R4)/(R/ R) 8)令 n=( Ri / R 1-R2 / R 2+R3 / R 3-R4 / R 4)/ (R/ R)9)则 Su=0.25 n Uo10)式中，n为电桥的工作臂系数.因此，测量时可利用电桥由上式可知，电桥的工作臂系数愈大，则电桥的灵敏度愈高, 的加减特性来合理组桥，以增加 n及测量灵敏度.3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R、R、R为固定，R为电 阻应变片，输出电压U=EK11）E-电桥转换系数：单臂E= U/4 半桥（双臂）E= U0/2全桥E= UoU

7、o供桥电压成正比；但U04. 由10） 11）可知：Su、U均与电桥的工作臂数、供桥电压过大会使应变片的温度变大。R3C+15VHRP2R5+5VRPR2RIA DR3R1IC调零电桥电感阻R4R4RP1OP07O-15V差动放大器图1-2电阻式传感器单臂电桥实验电路图四、实验步骤1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使 其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其 与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感 器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。2、实验箱上差动放大器（实验台内部已连接土

8、 15V）,;将差动放大器放大倍 数电位器RR旋钮（实验台为增益旋钮）逆时针旋到终端位置。3、用导线将差动放大器的正负输入端 连接，再将其输出端接到数字电压表 的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V档按键（实验台为将电压量程拨 到20V档）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器 RR旋钮，使电压表指示 向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器 RR旋钮使电压表指示为零；此 后调零电位器RR旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器 RR。4、按图1-2接线，R、R、R3 （电阻传感器部分固定电阻）与一个的应变片 构成单臂电桥形式。5、调节平衡电位器RP,使数字电压表指示接近零，然后旋动测

9、微器使电压 表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次 0.5mm上下各2mm将位移量X和对应的输出电压值 U记入下表中。表1-1X(mm)-0.5-1.0-1.5-2.0-2.50.51.01.52.02.5U(mV)五、实验报告1、根据表1-1中的实验数据，画出输入/输出特性曲线Uo f(X)，并且计 算灵敏度和非线性误差。2、 传感器的输入电压能否从+ 5V提高到+ 10V?输入电压的大小取决于什 么？3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。(2)电阻式传感器的全桥性能实验一、实验目的掌握全桥电路的工作原理和性能。二、实验所用单元同上。三、实验原

10、理及电路将四个应变片电阻分别接入电桥的四个桥臂，两相邻的应变片电阻的受力方向不同，组成全桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度进一步提高，非线性 得到改善。实验电路图见图3-1，全桥的输出电压U=EK四、实验步骤1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。2、按图3-1接线，将四个应变片接入电桥中，注意相邻桥臂的应变片电阻 受力方向必须相反。+5VRRRPR2R调零电桥电感阻R4JLR3OP07O-15V差动放大器R5r+15VHRP2RPiR4图3-1电阻式传感器全桥实验电路3、调节平衡电位器RP,使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头 指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次 0.4mm上下各2mm将位