检测技术实验2 金属箔式应变片 单臂、半桥、全桥性能实验

1、上海电力学院检测技术实验 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验 一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、基本原理 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，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：R/R=K式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，=L/L为电阻丝长度相对变化，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、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EK/4。当

2、两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/2。全桥测量电路中其桥路输出电压U03=KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件与单元应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。四、实验步骤1、根据图(1-1)应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350，加热丝阻值为50左右。图1-1 应变式传感安装示意图2、接入模板电源±15V(从主控箱引

3、入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。图1-2

4、 应变式传感器单臂电桥实验接线图4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到500g(或200g)砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。重量(g)电压(mv)5、根据图1-3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。重复步骤4。6、根据图1-4接线。R1、R2为实验模板左上方应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥

5、的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。重复步骤4。7、根据表1-1计算单臂系统灵敏度S，S=u/W(u输出电压变化量；W重量变化量)计算线性误差：f1=m/yF·S×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：yF·S满量程输出平均值，此处为500g或200g。计算半桥、全桥系统灵敏度、非线性误差。图1-3 应变片传感器半桥实验接线图表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)电压(mv)五、思考题1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负

6、应变片均可以。2、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：(1)对边(2)邻边。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。4、全桥测量中，当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1R2时，是否可以组成全桥：(1)可以(2)不可以。5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。图1-4 应变片传感器受拉时传感器圆盘面展开图答：将这两组应变片按照两个不同方向贴在棒材上，利用两组不

7、同的测量值即可组成一个全路电桥，不需要外加电阻。六、实验结果分析与处理1、记录数显表数值于数据记录纸上。2、由所得数据，绘出半桥的传感器特性曲线如下：图1-5 单臂传感器特性曲线 图1-6 半桥传感器特性曲线图1-7 全桥传感器特性曲线3、对拟合结果进行分析：（1）单臂计算系统灵敏度：V=（36-3）/9=3.67mV W=20g S=V/W=0.13mV/g计算非线性误差： （V-Vfit）m =0.45mVVfs=36mVf =（V-Vfit）m / Vfs×100%=1.25%（2）半桥 计算系统灵敏度：V=（73-7）/9=7.33mV W=20g S=V/W=0.36mV/

8、g计算非线性误差： （V-Vfit）m =0.64mVVfs=73mVf =（V-Vfit）m / Vfs×100%=0.88%（3）全桥计算系统灵敏度：V=（137-12）/9=13.89mV W=20g S=V/W=0.69mV/g计算非线性误差： （V-Vfit）m =1.13mVVfs=137mVf =（V-Vfit）m / Vfs×100%=0.83%由数据分析可知，全桥传感器特性曲线的线性特性最好，电桥输出灵敏度最高。原因是在全桥测量电路中，应变片初始阻值是R1=R2=R3=R4，当其变化值R1=R2=R3=R4时，桥路输出电压UO2=KE，比半桥灵敏度又提高一

9、倍，非线性误差进一步得到改善。注：以单臂数据为例，在MATLAB中实现线性拟合的程序，clearx=0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200;y=0,3,7,10,14,17,21,25,28,32,36;p=polyfit(x,y,1); 一次拟合;yfit=polyval(p,x); 求拟合后的y值;plot(x,y,'r*',x,yfit,'b-'); 作拟合图像;xlabel('W/g')ylabel('V/mV') grid on在计算非线性误差过程中，需要求实际输出值与拟合直线输出值的

10、最大偏差，这也可通过编程实现，x=0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200;y=0,3,7,10,14,17,21,25,28,32,36;p=polyfit(x,y,1);yfit=polyval(p,x);plot(x,y-yfit,'b-'); 求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差;xlabel('W/g')ylabel('V/mV') grid on可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为0.45mV。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、基本原理电子秤实验原理与

11、实验三相同，利用全桥测量原理，通过对电路调节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）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤1按实验一中的步骤2，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，打开直流稳压电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使直流电压表显示为零。2将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（增益即满量程调节）使直流电压表显示为0.200V或-0.200V。3拿去托盘上的所有砝码，调节

12、电位器Rw1（零位调节）使直流电压表显示为0.000V。4重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5把砝码依次放在托盘上，填入下表4-1。表4-1电桥输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压(mv)204060801001191391591801996. 根据上表，计算误差与非线性误差。误差：=1/200×100%=0.5% 非线性误差：f =0.76/200×100%=0.38%五、实验注意事项1不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2电桥的电

13、压为±5V，绝不可错接成±15V。六、实验报告要求1记录实验数据，绘制传感器的特性曲线。2分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。答：环境因素和实验器材的校正不准会导致非线性误差增大。通过多次校正，调节变位器可消除或减少误差。若要增加输出灵敏度可增加相形放大电路。金属箔式应变片的温度影响实验一、 实验目的了解全桥测量电路的优点。二、 基本原理电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此，被测体受力状态不变而温度变化时，输出会有变化。三、实验设备与

14、器件主机箱、应变式传感器实验模板（含加热器）、托盘、砝码。四、实验数据处理因为Vot=0.209(V)，Vo1=0.200(V),所以= (Vot-Vo1)/V ×100%=(0.209-0.200)/0.200×100%=4.5%五、思考题阐述金属箔式应变片的温度影响有哪些消除方法。答：金属箔式应变片的温度影响可以通过以下几种方法消除：温度自补偿法、电桥线路补偿法、辅助测量补偿法、热敏电阻补偿法、计算机补偿法等。而最常用的是温度自补偿法和电桥线路补偿法。温度补偿法：利用温度补偿片进行补偿。温度补偿片是一种特制的、具有温度补偿作用的应变片，将其粘贴在被测件上，当温度变化时，与产生的附加