电桥性能实验.docx

直流电桥原理在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识电桥电路有直流电桥和交流电桥两种电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性F面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标平衡条件直流电桥的基本形式如图1—1所示R, R，R，R为电桥的桥臂电阻，R为其负载（可以是1 2 3 4 L测量仪表内阻或其他负载）当兀―时，电桥的输出电压v应为V=E(0R1R1 + R 2R3R3 + R 4R1 R3当电桥平衡时，V0=O,由上式可得到RiR4=R2R3(1-1)图1-1式（1T）秤为电桥平衡条件平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比 相等方可使流过负载电阻的电流为零二、平衡状态1单臂直流电桥所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为AR,其它桥臂为阻值固定不变，这 时电桥输出电压V0MO （此时仍视电桥为开路状态），贝y不平衡电桥输出电压V0为V=R—4-R3八aR R1 + 1 + 2 R R八1 ］八War )——1R丿i E丫 R )R丿3 7(1-2)R设桥臂比n二才，由于ARR11《也,分母中 可忽略，输出电压便为1R1V”=0(R AR―< R3人1 + R2R11R1丿［仁R )■ 1 + —人R3丿这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。

实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差则其相对线性误差r为:aRV - V ”r二 二V0r ar r1+——i+—I R R111+aR(1-3)AR1 AR1R R由此可见，非线性误差与电阻相对变化 R1 有关，当 R1 较大时，就不可忽略误差了AR1~R R1 R3下面来看电桥电压灵敏度S •在式（1-2）中，忽略分母中R1项，并且考虑到起始平衡条件拆V R 2 R 4从式（1-2）可以得到电桥灵敏度的定义为n a RV'~ E 10 (1 + n)2 R1(1—4)V V' n 口V ar ar (1 + n)2(1—5)R R11当n=1时，可求得S最大也就是说，在电桥电压E确定后，当R =R，R =R时，电桥电压灵敏度最高.V 1 2 3 4此时可分别将式（1-2）、（1—3）、（1-4）、（1-5）化简为1 AR 1V= E 40 4 R 1 1 ARi 1 + 12 R11—6)ARAR2 + 4R11-7)1 A RV'〜 E 10 4 R1S=V(1-8)(1-9)AR1R由上面四式可知，当电源电压E和电阻相对变化i定时,电桥的输出电压,非线性误差，电压灵敏度也是定值，与各桥臂阻值无关。

2．差动直流电桥（半桥式）若图1—1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即叫和只2为传感器，并且其相应变化为△叫和AR?，则该电桥输出电压VHO,当厶R=AR R=R , R=R时，则得0 1 2， 1 2 3 4V = - E02AR 4R1AR1R上式表明，V与Ri成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电桥无非线性误差，而且电压灵 敏度sv为s=V比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用双差动直流电桥（全桥式）若图1—1中直流电桥的四臂均为传感器，贝9构成全桥差动电路若满足△ R =AR =RA =AR，贝V输出 1234电压和灵敏度为ARV = E i0 RSV= E由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍.图1T实验一金属箔式应变片一一单臂电桥性能实验、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 、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:AR=K &RAR AL式中 〒为电阻丝电阻相对变化,K为 应变灵敏系数，&= 为电阻丝长度相对变化，金属箔式应R L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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态对单臂电桥输出电压U°=EK £ /4.图1 — 1,图1 — 2是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。

前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29, R40调整运放增益仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路其增益可用下式表示：2 R30A=(1+R 29图1—2三、 需用器件与设备：1. 应变式传感器实验台；2. 应变式传感器；3. 砝码；4. 跳线；5. 350Q 电阻；6. 万用表（自备）.四、 实验步骤：1. 根据图（2-1）所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上传感器中各应变片上的Rl、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色，可用万用表测量同一种颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350 Q托盘应变片出线孔厂弹性悴固走支架R1应变片保护支架底板支撑脚一，图2—1应变式传感器安装示意图2. 接入电源，拨通电源开关，将实验模块板调节增益电位器R29顺时针调节大致到中间位置，再进 行差动放大器调零，方法为将差动放大器的正、负输入端（电路板上的TEST 1与TEST2）与地短 接,输出端OUT与电路板上的IN1或IN2相连，调节电路板上调零电位器R42,输出的电压读数为 零，关闭电源。

注意：当R29、R42的位置一旦确定，就不能改变一直到做完实验三为止）3. 电路板上的R25、R26、R27接入350Q电阻，将应变式传感器的其中一个应变片R1接入电路板上的R24,作为一个桥臂与电路板上的R25、R26、R27接成直流电桥•检查接线无误后，接通电源调节电桥调零电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零4. 在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到1Kg砝码加完记下实验结果填入表1-1中，关闭电源.重量（g）电压（mv）5. 根据表1-1计算系统灵敏度S= （输出电压变化量与重量变化量之比）和非线性误差：5 =AW 71△m/yFSX 100%式中Am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1Kg五、思考题单臂电桥时，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、负应变片均可.实验二 金属箔式应变片--半桥性能实验一、实验目的:比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点 二、基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EKe/2测量电路同实验一三、 需用器件与设备：同实验一.四、 实验步骤:1. 传感器安装同实验一.做实验（一）步骤 2,实验模板差动放大器调零2. 电路板上的R25、R27接入350Q电阻，将应变式传感器的红色（或白色）线连接的应变片接入电路 板上的R24,将黄色（或蓝色）线连接的应变片接入电路板上的R26，与电路板上的R25、R27接成 直流电桥•检查接线无误后，接通电源调节电桥调零电位器R28,使电路板上的TEST1与TEST2之 间输出的压降为零•注意R24应和R26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实验步骤3、4同实验一中的步骤4、5，将实验数据记入 表1-2,计算灵敏度S =AU/^W，非线性误差§ f2o若实验时无数值显示说明R24与R26为相同受力2 J2状态应变片，应更换一个应变片表 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•半桥测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）邻边实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。

二、基本原理：全桥测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边,应变片初始阻值：rq=r2=r3=r4，其变化值△ rq=ar2=ar3=ar4时，其桥路输出电压u03=ekJ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测量电路同实验一三、需用器件与设备：同实验一四、实验步骤：1. 传感器安装同实验一2. 将应变式传感器的红色、白色线连接的应变片接入电路板上的R24, R27，将黄色、蓝色线连接 的应变片接入电路板上的R25、R26,实验方法与实验二相同将实验结果填入表1—3；进行灵敏 度和非线性误差计算表 1—3 全桥电路输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mv）五、思考题：1. 全桥测量中，当两组对边（R、R为对边）电阻值R相同时即R =R =R =R，而R MR时，是否可以 1 3 Q 2 3 4 1 2组成全桥:（1）可以 （2）不可以实验四 直流全桥的应用—-称重实验一、实验目的：了解应变传感器的应用及电路标定二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，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（g）即成为一台原始电子秤。

测量电路同实验一三、需用器件于单元：1. 应变式传感器实验台;2. 应变式传感器；3. 砝码;4. 跳线四、实验步骤：1. 按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，接通电源，调节电桥平衡电位器R28，使电路板上的 TEST1与TEST2之间输出的压降为零2. 应变式传感器的应变片接线同实验三；3. 将lOOOg砝码置与传感器的托盘上，调节电位器R40（增益）与R29（增益即满量程调节）使输出 电压为4V；4. 拿去托盘上所有砝码，调节电位器R42 （零位调节）使输出电压为零；5. 参考《DRLab工程测试实验指导书》中的相关实验力传感器标定及称重实验6. 把砝码依次放在托盘上，填入下表1—4.重量（g）电压（mv）6根据上表,计算误差与非线性误差。