傳感器實驗-——- 金屬箔式應變片: 單臂、半橋、全橋比較
【實驗目得】
了解金屬箔式應變片，單臂單橋得工作原理與工作情況。
驗證單臂、半橋、全橋得性能及相互之間關系。
【所需單元及部件】
直流穩壓電源、電橋、差動放大器、雙孔懸臂梁稱重傳感器、砝碼、一片應變片、電壓/頻率表、電源， 重物加在短小得圓盤上。
【旋鈕初始位置】
直流穩壓電源打到±2Ｖ擋,電壓/頻率表打到 2V 擋,差動放大增益最大. 【應變片得工作原理】
當金屬絲在外力作用下發生機械變形時,其電阻值將發生變化,這種現象稱為金屬得電阻應變效應。
設有一根長度為Ｌ、截面積為 S、電阻率為 ρ 得金屬絲，在未受力時,原始電阻為
(１－1）
當金屬電阻絲受到軸向拉力 F 作用時,將伸長 ΔL，橫截面積相應減小 ΔS,電阻率因晶格變化等因素得影響而改變 Δρ，故引起電阻值變化 Δ Ｒ 。對式(1-1)全微分,并用相對變化量來表示，則有:
(1-2) 【測量電路】
應變片測量應變就是通過敏感柵得電阻相對變化而得到得。通常金屬電阻應變片靈敏度系數 K很小,機械應變一般在 1０×１0－ 6 ～３000×1０ －６ 之間，可見,電阻相對變化就是很小得。例如,某傳感器彈性元件在額定載荷下產生應變 -6 ，應變片得電阻值為,靈敏度系數Ｋ=2,則電阻得相對變化量為 1０ —6 =0、００２，電阻變化率只有 0、２％。這樣小得電阻變化，用一般測量電阻得儀表很難直接測出來,必須用專門得電路來測量這種微弱得電阻變化。最常用得電路為電橋電路。
（a)單臂
(b)半橋
(ｃ）全橋 圖 1—1
應變電橋 直流電橋得電壓輸出 當電橋輸出端接有放大器時,由于放大器得輸入阻抗很高,所以,可以認為電橋得負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓得形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端得開路電壓,其表達式為
(1-3) 設電橋為單臂工作狀態，即為應變片,其余橋臂均為固定電阻。當感受應變產生電阻增量 時,由初始平衡條件得,代入式(1—3)，則電橋由于 產生不平衡引起得輸出電壓為
（1－４）
對于輸出對稱電橋，此時,Ｒ´，當臂得電阻產生變化 ，根據式（1-4)可得到輸出電壓為
(1—5) 對于電源電橋，，´,當 R1 臂產生電阻增量時，由式(１-４）得
(１-６)
對于等臂電橋，當得電阻增量 時,由式(1—10)可得輸出電壓為
(１—7) 由上面三種結果可以瞧出，當橋臂應變片得電阻發生變化時,電橋得輸出電壓也隨著變化。當 時，電橋得輸出電壓與應變成線性關系。還可以瞧出,在橋臂電阻產生相同變化得情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋得輸出電壓要比電源對稱電橋得輸出電壓大,即它們得靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對稱電橋。
在實際使用中,為了進一步提高靈敏度,常采用等臂電橋,四個應變片接成兩個差動對稱得全橋工作形式,如圖１—1 所示。
由圖１-1 可見=R+Ｒ，=R-Ｒ，=R＋R,=R—R,將上述條件代入式(1—４)得
(1—8)
由式(1—8)瞧出,由于充分利用了雙差動作用,它得輸出電壓為單臂工作得４倍，所以大大提高了測量得靈敏度。
實驗步驟:
1.了解所需單元、部件在實驗儀上得所在位置,觀察梁上得應變片，應變片為棕色襯底箔式結構小方薄片。上下二片梁得外表面各貼二片受力應變片。
2．將差動放大器調零：用連線將差動放大器得正(+）、負（－)、地短接。將差動放大器得輸出端與電壓/頻率表得輸入插口ｉn 相連,電壓/頻率表放在 2V 檔;開啟電源;調節差動放大器得“差動增益”到最大位置,然后調整差動放大器得“差動調零"旋鈕使電壓/頻率表顯示為零,關閉電源. 根據圖 1 接線 R1、Ｒ2、R3 為電橋單元得固定電阻。R x 為應變片;將穩壓電源得切換開關置±4V擋，F/V 表置 2０V 擋。開啟電源,調節電橋平衡網絡中得 W D ,使 F/V 表顯示為零,等待數分鐘后將電壓/頻率表置 2Ｖ擋,再調電橋 W D (慢慢地調)，使電壓／頻率表顯示為零。
圖 圖 1 單臂電橋應變片實驗接線圖 3．在傳感器托盤上放上一只砝碼,記下此時得電壓數值,然后每增加一只砝碼記下一個數值并將這些數值填入下表.根據所得結果計算系統靈敏度 S=ΔV/ΔW，并作出 V-Ｗ關系曲線,ΔＶ為電壓變化率，ΔW 為相應得重量變化率。
每個砝碼質量: 砝碼個數 1 2 ３ 4 5 ６ 7 電壓(mV）
４.雙臂電橋【圖 2】:保持放大器增益不變,將 R3 固定電阻換為與 R x 工作狀態相反得另一應變片即取二片受力方向不同應變片,形成半橋，調節電橋 W1 使 F／Ｖ表顯示表顯示為零,重復（３）過程同樣測得讀數，填入下表: 砝碼個數 1 2 3 4 5 6 ７ 電壓（mV）
圖 圖 2
雙臂電橋 應變片實驗接線圖
圖 圖 3 全電橋 應變片實驗接線圖 5。全橋實驗【圖 3】：保持差動放大器增益不變,將Ｒ1，Ｒ２兩個固定電阻換成另兩片受力應變片組橋時只要掌握對臂應變片得受力方向相同,鄰臂應變片得受力方向相反即可，否則相互抵消沒有
輸出,接成一個直流全橋。重復(3）過程將讀出數據填入下表: 注意:在沒加重物時會有非零值，記錄下來，減掉即可。
砝碼個數 1 2 ３ 4 5 6 ７ 電壓(mV）
【數據處理】
1、在同一坐標紙上繪出ｍ—Ｖ曲線， 2.計算單橋、雙橋與全橋得曲線斜率，即其測量靈敏度 3.比較分析三種接法得靈敏度得比值,與理論比值比較.
【注意事項】
1．在更換應變片時應將電源關閉。
2。在實驗過程中如有發現電壓表發生過載,應將電壓量程擴大。
3。在本實驗中只能將放大器接成差動形式,否則系統不能正常工作。
4。直流穩壓電源±4V 不能打得過大,以免損壞應變片或造成嚴重自熱效應。
5.接全橋時請注意區別各片子得工作狀態方向。
6。電橋上端虛線所示得四個電阻實際上并不存在，僅作為一標記，讓學生組橋容易．
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