1、实验二 金属电阻应变片与电桥测量电路的特性一、实验目的1 进一步认识应力、应变和电阻的相对变化的关系2 观察了解应变片的结构和粘贴方式。3 比较各桥路间的输出关系 二实验器材主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码三实验步骤分析重量(g)单臂电桥电压(mv)双臂半桥电压(mv)四臂全桥电压(mv)四心得体会电阻应变效应: 导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变,导致其电阻值发生变化的物理现象 1. 单臂电桥输出电压 U o1= UiK/4。2. 半桥测量电路: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UO2U iK
2、2。3. 全桥测量电路:将受力方向相同的两应变片接入电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。当应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压 U03U iK。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。(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: RRK 式中:RR 为电阻丝电阻相对变化,K 为应变灵敏系数,=L/L 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
3、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 o1= EK/4。三、需用器件与单元:主机箱(4V、15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 位数显万用表(自备) 。21四、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。1、根据图 1应变式传感器(电子秤传感器)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 R1、R2、R3、R
4、4 和加热器上。传感器左下角应变片为 R1;右下角为R2;右上角为 R3;左上角为 R4。当传感器托盘支点受压时,R1、R3 阻值增加,R2、R4 阻值减小,可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为 350,加热丝电阻值为 50 左右。 安装接线。 图 1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图2、放大器输出调零:将图 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(V i0);调节放大器的增益电位器 RW3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RW4
5、,使电压表显示为零。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 1 接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器 RW1,使主机箱电压表显示为零;在应变传感器的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(或 500 g)砝码加完。记下实验结果填入表 1 画出实验曲线。表 1重量(g)电压(mv)4、根据表 1 计算系统灵敏度 SU/W(U 输出电压变化量,W 重量变化量)和非线性误差,=m/y FS 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 FS 满量程输出平均值,此处为 200g(或 50
6、0g) 。实验完毕,关闭电源。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、负应变片均可以。 (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 UO2EK2。三、需用器件与单元:主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、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,再将
7、实验模板中的放大器的两输入口短接(V i0);调节放大器的增益电位器 RW3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 RW4,使电压表显示为零。图 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 接线。注意 R2应和 R3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 RW1,使主机箱电压表显示为零;在应变传感器的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 2
8、00g(或 500 g)砝码加完。记下实验数据填入表 2 画出实验曲线,计算灵敏度 S2UW,非线性误差 。实验完毕,关闭电源。表 2重量电压三、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。(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,将受力方向相同的两应变片接入电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值:R 1R 2R 3R 4,其变化值 R 1
9、R 2R 3R 4时,其桥路输出电压U03KE。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、需用器件和单元:同实验二。四、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,再将实验模板中的放大器的两输入口短接(V i0);调节放大器的增益电位器 RW3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 RW4,使电压表显示为零。图 31 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 31 接线。实验方法与实验二相同,将实验数据填入表3 画出实验曲线;进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕,关闭电源。表 3重量电压五、思考题:1、测量中,当两组对边(R 1、R 3为对边)电阻值 R 相同时,即 R1R 3,R 2R 4,而 R1R 2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,如图 32,如何利用这四片应变片组成电桥,是否需要外加电阻。图 32 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图