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实验二：应变传感器性能实验
实验2.1 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的
1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；
2、掌握单臂测量电路的工作原理。
二、实验内容
1、记录所加重量与电桥电压输出数据；
2、计算灵敏度、非线性误差δ。
三、实验原理、方法和手段
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：。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。
四、实验条件
主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、数显万用表。
五、实验步骤
应变传感器实验模板说明：实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。
图 2-1应变式传感器单臂电桥实验安装、接线示意图
1、根据图2-1安装、接线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的、、、和加热器上。传感器左上角应变片为；右下角为；右上角为；左下角为。当传感器托盘支点受压时，、阻值增加，、阻值减小，可用数显万用表进行测量判别。常态时应变片阻值＝＝＝＝，加热丝阻值为左右。
2、放大器输出调零：将图2-1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使主机箱电压表显示为零。
3、应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原（见图2-1接线图），调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器托盘上放置一只砝码，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200g砝码加完。记下实验结果，填入表2-1，画出实验曲线。
表2-1 应变式传感器单臂电桥性能实验数据
重量（g）
电压（mV）
4、根据表2-1计算系统灵敏度（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差。式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。实验完毕，关闭电源。
六、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、负应变片均可以。
实验2.2 金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的
1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；
2、掌握半桥测量电路的工作原理；
3、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、实验内容
1、记录所加重量与电桥电压输出数据；
2、计算灵敏度、非线性误差δ。
三、实验原理、方法和手段
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。
四、实验条件
主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、数显万用表。
五、实验步骤
1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，将实验模板差动放大器调零：用导线将实验模板上的15V、插口与主机箱电源15V、分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。
图 2-2应变式传感器半桥接线图
2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2-2接线。注意应和受力状态相反，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。调节实验模板上的桥路平衡电位器，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取电压表数值，依次增加砝码和读取相应的电压表数值，直到200g（或500g）砝码加完。记下实验结果，填入表2-2，画出实验曲线。计算灵敏度，非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。
表2-2 应变式传感器半桥实验数据
重量（g）
电压（mV）
六、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。
2、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。
实验2.3 金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的
1、了解金属箔式应变片的应变效应，应变式传感器的工作原理；
2、了解全桥测量电路的工作原理、测量电路的优点。
二、实验内容
1、记录所加重量与电桥电压输出数据；
2、计算灵敏度、非线性误差δ。
三、实验原理、方法和手段
全桥测量电路中，将四片应变片分别接入电桥的四个臂。传感器工作时，电桥相对的两臂受力性质相同，即两应变片处于受压状态，另两应变片处于拉伸状态。四片应变片初始阻值为：＝＝＝，工作时的变化值ΔR1＝ΔR2＝Δ＝Δ时，其桥路输出电压。由此，全桥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。
四、实验条件
主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、数显万用表。
五、实验步骤
1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，将实验模板差动放大器调零。用导线将实验模板上的15V、插口与主机箱电源15V、分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。 (
图
2-
3
全桥性能实验接线图
)
2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2-3接线，实验方法与实验2.2相同，将实验数据填入表2-3，画出实验曲线。计算灵敏度、非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。
表2-3 应变式传感器全桥实验数据
重量（g）
电压（mV）
六、思考题
1、全桥测量中，当两组对边（R1、为对边）电阻值R相同时，即＝，＝，而≠时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。
2、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片，如图2-4，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 2-4应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图
实验2.4 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
一、实验目的
1、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度；
2、掌握应变式传感器测量电路的输出特性。
二、实验内容
1、记录单臂、半桥、全桥所加重量与电桥电压输出数据；
2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度。
三、实验原理、方法和手段
如图2-5（a）、（b）、（c）。
（a）
设R1＝R2＝R3＝R4，且。
所以电桥的电压灵敏度：
（a） （b） （c）
图2-5 应变电桥
（a）单臂；（b）半桥；（c）全桥
（b）同理：
（C）同理： S＝E
四、实验条件
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码。
五、实验步骤
根据实验2.1、2.2、2.3所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验2.1、2.2、2.3中的放大器增益必须相同）。实验完毕，关闭电源。
实验2.5 直流全桥的应用——电子秤实验
一、实验目的
1、了解应变直流全桥的应用；
2、了解电路的标定。
二、实验内容
记录所加重量与电桥电压输出数据。
三、实验原理、方法和手段
图 2-5数字电子称原理框图
数字电子秤实验原理如图2-5，全桥测量原理。本实验只做放大器输出UO实验，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）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。
四、实验条件
主机箱、应变式传感器实验模板、砝码
五、实验步骤
1、实验模板差动放大器调零：将实验模板上的15V、插口与主机箱电源15V、分别相连，再用导线将实验模板上放大器的两输入端口短接（Vi＝0），调节入放大器的增益电位器大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈），将主机箱电压表的量程切换开关到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器，使电压表显示为零。按图4-1直流全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位，使电压表显示0.000V。
2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器（增益即满量程调节）使电压表显示为0.200V（2V档测量）或-0.200V。
3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器（零位调节）使电压表显示为0.0000V。
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，并依次记录重量和电压数据填入下表2-5。
表2-5 电子称实验数据
重量(g)
电压(V)
6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。实验完毕，关闭电源。
六、思考题
说明数字电子称工作原理。

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