电阻应变片传感器实验

1、电阻应变片传感器实验实验目的：1了解金属箔式应变片的结构及粘贴方式。2了解单臂直流电桥的工作原理和工作情况。3比较单臂、半桥、全桥电路的性能。4了解温度变化对应变测试系统的影响。5了解交流激励时应变电桥的工作原理和工作情况。实验原理：应变片是最常用的测力传感元件，当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变时，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂的四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为R1R1、R2R2

2、、R3R3、R4R4，当使用一个应变片时R=R/R；当二个应变片组成差动状态工作时，则有R=2R/R；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1R2R3R4R时，则有R=4R/R。由此可见，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。实验内容1：箔式应变片的性能单臂电桥实验所需部件：直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、金属箔式应变计、双孔悬臂梁、砝码（20克/个）、数字电压/频率表。图（）实验步骤：（）对差动放大器调零。开启仪器电源，差动放大器增益为100倍（顺时针方向旋到底），“”、“”两输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表2V档，调节“差动调零”电位器使差动放大器输出电压为零

3、，然后关闭仪器电源，拔掉实验线，调零后“差动增益”电位器和“差放调零”电位器的位置不要变化。（）按图（1）将实验所需部件用实验线连接成测试桥路，桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可选上、下梁中的任一工作片），直流激励电源为±4V档。（）确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟，调节电桥“WD”电位器，使测试系统输出电压为零。（）在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，每放置一个砝码记录一次差动放大器输出电压值。砝码P(g电压V(v（）根据表中所测数据计算灵敏度S，SVP，并在坐标图上做出VP关系曲线。注意事项： （）实验前应检查实验接插线是否

4、完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰，接插线插入插孔，以保证接触良好，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。（）做单臂电桥实验时，由于应变片的零飘和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零飘值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路是必然会出现输出电压漂移现象，这不是仪器不稳定，而是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的飘移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。 （）稳

5、压电源不要长时间对地短路。实验内容2：单臂、半桥和全桥电路性能的比较实验原理：已知单臂、半桥和全桥电路的R分别为R/R、2RR、4RR。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·R，电桥灵敏度KuVRR，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E、1/2E和E，由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。实验所需部件：直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、金属箔式应变计、双孔悬臂梁、砝码（20克/个）、数字电压/频率表。实验步骤：图（）图（）在完成实验内容1的基础上，不变动差动放大器的“差动增益”

6、和“差动调零”电位器，按图（2）将图（1）中的固定电阻R1换成金属箔式应变计组成半桥电路。 确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟，调节电桥“WD”电位器，使测试系统输出电压为零。在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，每放置一个砝码记录一次差动放大器输出电压值。按图（3）将图（1）中的固定电阻R2、R3也换成金属箔式应变计组成全桥测试系统。重复步骤和，记录位移电压值，并填入下表。砝码P(g半桥V(v全桥V(v在同一坐标上描出VP曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。注意事项：应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。由于进行位移测

7、量时测微头要从零正的最大值，又回复到零负的最大值，因应变梁的金属滞后特性容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负的X的灵敏度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。实验内容3：金属箔式应变片的温度效应实验原理：温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压发生变化。实验所需部件：直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、金属箔式应变计、双孔悬臂梁、数字电压/频率表、加热器、温度计。实验步骤：按图（1）接线，开启电源，调整系统输出为零。记录加热前的环境温度，可用热电偶或集成温度

8、传感器测得。开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度升高而发生的变化，记录温度电压值并列表。求出温度漂移值VT。温度T（）电压V（v）注意事项：实验前首先差放调零，方法见实验内容1的步骤。要观察应变片的温度特性，实验系统必须接成单臂电桥，如果是半桥或全桥形式则系统已经具备补偿作用，温飘现象就不明显。本仪器中所使用的金属箔式应变片具有防自蠕变性能，因此温度系数较小。实验内容4：应变电路的温度补偿实验原理：用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图（2）所示，在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1R2。当温度变化时两应变片的电阻变化R1与R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温

9、度变化后R1*R4R2*R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。图（） 图（）实验所需部件：直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、金属箔式应变计、双孔悬臂梁、数字电压/频率表、加热器、温度计。实验步骤：按图（4）接好线路，图中R和R分别为金属箔式应变计和温度补偿片。重复实验三14步骤，求出接入补偿片后系统的温度漂移，并与实验内容3的结果进行比较。温度（）电压（）五注意事项：应正确选择温度补偿片，在面板的应变片接线端中，从左至右18对接线端分别是：1上梁半导体应变片，2下梁半导体应变片。3、

10、5上梁箔式应变片，4、6下梁箔式应变片，7、8上、下梁温度补偿片，电路中的箔式应变片与补偿片应在同一应变梁上。实验前首先差放调零，方法见实验内容提要的步骤。实验内容5： 金属箔式应变片交流全桥实验实验原理：图（6）是交流全桥的一般形式。当电桥平衡时，Z1Z4Z2Z3，电桥输出为零。若桥臂阻抗相对变化为Z1Z1、Z2Z2、Z3Z3、Z4Z4，则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化。交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。实验所需部件：电桥、音频振荡器、金属箔式应变计、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波

11、器、数字电压/频率表、砝码（20克/个）、示波器。实验步骤：图（6）首先通过数字电压/频率表的20KHz档将音频振荡器的频率调节到5KHz,幅度适中，然后关闭仪器电源。按图（6）接线，音频振荡器一定要从0o或Lv端输出，确认无误后开启仪器电源。调节螺旋测微仪使双平行悬臂梁处于水平位置，调节电桥直流调平衡电位器WD，使系统输出基本为零，仔细调节交流调平衡电位器WA，使系统输出为零。（或在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，进行上述实验）用示波器观察各环节波形，测量读数，列表填入V、X值，作出VX曲线，求出灵敏度。位移(mm电压(V注意事项：欲提高交流全桥的灵敏度，可用示波器观察相敏检波器输出端的波

12、形，若相敏检波器输出端的波形脉动成份较大，则系统虽然可以调零，但灵敏度较低，提高灵敏度的方法是：当系统初步调零后，再调节电桥中的电位器，使相敏检波器输出波形尽量平直，然后用手将双平行悬臂梁压到最低（CSY10B型起始可多放些砝码在双孔悬臂梁的托盘上），调节“移相”旋钮，使相敏检波器输出端波形为相连接的整流波形，再放手恢复双平行悬臂梁的自然位置，调节电桥中的电位器，使系统输出为零，这样系统灵敏度会最高。做交流全桥实验时输出电压用指针式毫伏表可以比较直观地看出应变梁在正、反向受力时系统输出电压的变化情况。实验前首先差放调零，方法见实验一的步骤。实验内容6：激励频率对交流全桥的影响实验原理：由于交流

13、电桥中的各种阻抗的影响，改变激励频率可以提高交流全桥的灵敏度和提高抗干扰性。实验所需部件：电桥、音频振荡器、金属箔式应变计、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、数字电压/频率表、螺旋测微仪（CSY10B用砝码20克/个）、示波器。实验步骤：接线、操作均按实验十进行。从音频振荡器0°输出端或输出端输出信号，频率从2KHZ10KHZ，接交流全桥，分别测出系统输出电压，列表填好VX值，在同一坐标上做出VX曲线，比较灵敏度，并得出结论，该交流全桥工作在哪个频率时较为合适。X(mmV2KHz(vV4KHz(vV6KHz(vV8KHz(vV10KHz(v注意事项：做实验时频率改变时音频振

14、荡器的幅值不变，否则无可比性。实验前首先差放调零，方法见实验一的步骤。实验内容7：交流全桥的应用振幅测量实验原理：当双平行悬臂梁梁受到不同的频率信号激励时，振幅不同，带给应变片的应力不同，电桥输出也不同。若激励频率和梁的固有频率相同时，产生共振，此时电桥输出为最大，根据这一原理可以找出梁的固有频率。实验所需部件：电桥、音频振荡器、金属箔式应变计（半导体式应变计）、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、数字电压/频率表、螺旋测微仪、示波器。实验步骤：根据实验十的电路接线，移开测微头，调节电桥，使系统输出为零，并使系统灵敏度最大。将低频振荡器输出端接至“激振II”端，此时悬臂梁开始振动。（1

15、0B型激振开关拨至“激振II”端）用示波器观察差动放大器和低通滤波器的输出波形，注意调节示波器的扫描时间，差动放大器输出的是调幅波。固定低频振荡器幅值旋钮不变，电压频率表放2KHZ档，接低频振荡器输出端，调节低频振荡器频率，用示波器读出系统最大振幅值，此时频率表所示即为梁的固有频率。注意事项：悬臂梁激振时振幅不宜太大，否则易造成应变片受损。10B型实验仪因应变片贴在双孔悬臂梁上，由于结构的原因，所以只能做半导体式交流半桥振动实验。实验内容8：交流全桥组成的电子秤实验所需部件：音频振荡器、电桥、金属箔式应变计、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、砝码（20克/个）、称重平台、数字电压/频率表。实验步骤：按实验