1、1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。下面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。一、 平衡条件直流电桥的基本形式如图 1-1 所示。R 1， R2，R 3 ， R4 为电桥的桥臂电阻，R L为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载） 。当 RL 时，电桥的输出电压 V0应为V0=E( ) 4321R当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到 R1R4=R2R3或 （1-1） 2图 1-1式（1-1）秤为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻
2、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R，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压 V00（此时仍视电桥为开路状态） ，则不平衡电桥输出电压 V0为2V0= (1-2)ER341214设桥臂比 n= ，由于R 1R 1，分母中 可忽略，输出电压便为12R1V“0= ER341214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：r= = = （1-3）0V121Rn11由此可见
3、，非线性误差与电阻相对变化 有关，当 较大时，就不可忽略误差了。11下面来看电桥电压灵敏度 SV 。在式（1-2）中，忽略分母中 项，并且考虑到起始平衡条件1R，从式（1-2）可以得到4321RV0 （1-4）12)(RnE电桥灵敏度的定义为SV = = （1-5）10R1 En2)(当 n=1 时，可求得 SV最大。也就是说，在电桥电压 E 确定后，当 R1=R2，R 3=R4 时，电桥电压灵敏度最高。此时可分别将式（1-2） 、 （1-3） 、 （1-4） 、 （1-5）化简为3V0= （1-6）1124REr = （1-7）112RV0 （1-8）14ESV = （1-9）由上面四式可知
4、，当电源电压 E 和电阻相对变化 一定时，电桥的输出电压，非线性误差，电压灵敏1R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 R1和 R2为传感器，并且其相应变化为R 1和 R 2，则该电桥输出电压 V00，当R 1=R 2， R1=R2，R 3=R4 时，则得V0= 12E上式表明，V 0与 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1R敏度 SV为SV = E21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。3.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，则构成全桥差动
5、电路。若满足R 1=R 2=R 3=R 4，则输出电压和灵敏度为V0= 1RE4SV = 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。5实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、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。二、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：=KR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R L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
6、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U01=EK/4。图 11，图 12 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：A（1+ ）2930R图 116图 12三、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. 350 电阻；6. 万用表（自备）
7、 。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R1、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，R 1=R2=R3=R4=350。7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 TEST1 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
8、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 350 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
9、化量之比）和非线性误差：WU 1=m/y F。S 100%式中m 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：y F。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 8（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=EK /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
10、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 350 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 S2
11、=U/W，非线性误差 2。若实验时无数值显示说明 R24与 R26 为相同受力状态应变片，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。9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：R Q=R2=R3=R4，其变化值 R Q=R 2=R 3=R 4时，其桥路输出电压 U03=EK 。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误
12、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 1、R 3为对边）电阻值 R 相同时即 RQ=R2=R3=R4，而 R1R 2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。10实验四 直流全桥的应用称重实验一、实验目的：
13、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 1000g 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。
