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实验一 金属箔式电阻应变片单臂电桥、半桥、全桥性能实验及比较 一、实验目的：了解金属箔式电阻应变片的应变效应，掌握由箔式应变片组成的单臂电桥、半桥、全桥工作原理和性能。 二、基本原理： 1、电阻应变效应：电阻丝受外力作用，产生机械形变，其电阻值产生变化，电阻应变效应为： 式中： 为电阻丝电阻的相对变化 为电阻应变灵敏系数 为电阻丝长度相对变化 金属箔式电阻应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它可转换成被测部位受力状态变化，使用常规电阻和箔式电阻应变片，通过搭配，可组成单臂电桥，半桥；组成全桥则使用4个箔式电阻应变片；通过电桥，完成电阻到电压的比例变化，电桥输出的电压反映了相应的受力状态。 2、单臂电桥是由三个常规电阻和一个箔式电阻应变片组成的，其输出电压为： 3、半桥是由两个常规电阻、两个箔式电阻应变片组成的，受力后，桥路内的两个箔式应变片的电阻阻值，一个变大，一个变小，使电桥输出的灵敏度提高，非线性得到改善。当两应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压为： ４、全桥由4个箔式电阻组成，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的两应变接入邻边，当应变片初始阻值为：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路的输出电压为： 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、实验设备与器件：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、砝码盘、电压数显表、±15V电源、±4V电源及万用表(自备)。 四、实验步骤： 图1—1 是一应变转换支架，四个箔式电阻应变片分别贴于弹性支架上下两面，并将箔式应变片电阻引接在模板上的左上方R1、R2、R3、R4；其阻值为R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝也接于模板上(加热丝阻值为50Ω左右)。 １、差动放大器调零 将差动放大器的正、负输入端短接并接地，输出端接主控箱面板上电压表Vi，实验模板调节增益电位器RW3调节至中间位置(2圈半)，将±15V电源及地从主控箱接入模板，检查无误后，合上主控箱电源开关，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mv档),关闭主控箱电源。 2、单臂电桥实验 将应变片Rl（模板左上方）与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7在模块内已连接好），从主控箱上接入桥路电源上±4V，如图1—2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rwl使输出电压最小(2.5毫伏以内)。 ３、在砝码盘上放置一只砝码，读取数值并记录，依次增加砝码，直到200g砝码加完。 将实验结果填入表1—1。 图1—2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 表1—1 重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 加载电压（mv） 卸载电压（mv） ４、半桥实验 保持差动放大器的放大倍数，根据图 1—3接线。R1、R2为实验模板左上方的箔式电阻（ 注意R1 与R 2受力状态是相反的），即电桥相邻边中两应变片电阻受力相反（一片受拉、一片受压）。接入±4V桥路电源，调电位器Rwl进行桥路调零。 将实验数据记入表1—2，实验时，若无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应进行更换。 图1—3 应变式传感器半桥实验接线图 重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 加载电压（mv） 卸载电压（mv） 表1—2半桥测量时，输出电压与加卸载 5、全桥实验 保持差动放大器的放大倍数，根据图1—4接线，实验方法同前。将实验结果填入表1—3。 表1—3全桥输出电压与加负载重量值 重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 加载电压（mv） 卸载电压（mv） 图1—4 应变式传感器全桥实验接线图 五、实验总结： 根据表1—1,表1—2,表1—3分别计算单臂桥、半桥、全桥系统灵敏度S和线性误差 灵敏度:（输出电压变化量；重量变化量）;线性误差： （Δm为输出值，多次测量时取平均值，与拟合直线的最大偏差；yF·S满量程输出平均值）。 思考题 1.全桥测量中，当两组对边的电阻值R相同时（R1、R3为对边，即R1=R3，R2=R4），若R1≠R2，组成全桥，请说明利弊。 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，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—5 应变式传感器受拉时圆周面展开图