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金屬箔式應(yīng)變片—電橋性能實(shí)驗(yàn)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/b>
1、 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，電橋工作原理、基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。
2、 比較單臂、半橋、全橋輸出的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)結(jié)論。
3、 了解溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的影響以及補(bǔ)償方法。
4、 掌握應(yīng)變片在工程測(cè)試中的典型應(yīng)用。
二、 基本原理
電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)。描述
電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：ΔR / R = Kε 式中：ΔR / R 為電阻絲電阻相對(duì)變化，K 為應(yīng)變
靈敏系數(shù)，ε = ΔL / L 為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。同時(shí)，由于應(yīng)變片敏感柵絲的溫度系數(shù)的影
響，以及應(yīng)變柵線膨脹系數(shù)與被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)不一致，產(chǎn)生附加應(yīng)變，因此當(dāng)溫度變
化時(shí)，在被測(cè)體受力狀態(tài)不變時(shí)，由于溫度影響，輸出會(huì)有變化。
金屬箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測(cè)部位受
力狀態(tài)變化。電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀
態(tài)。對(duì)單臂電橋輸出電壓/ 4 01 U = EKε 。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，半橋輸出電壓
/ 2 02 U = EKε 。全橋輸出電壓U = EKε 03 ，其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性
度和溫度誤差均得到改善。
三、 需用器件與單元
應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、砝碼（每只約20g）、數(shù)顯表、±15V 電源、
±4V 電源、萬用表。
四、 實(shí)驗(yàn)方法與步驟
（一） 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０咫娐氛{(diào)試及說明
1、實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f明
實(shí)驗(yàn)?zāi)０迦鐖D1.1 所示，R1、R2、R3、R4 為應(yīng)變片，沒有文字標(biāo)記的5 個(gè)電阻符號(hào)下
面是空的，其中4 個(gè)組成電橋模型是為實(shí)驗(yàn)者組成電橋方便而設(shè)，圖中的粗紅曲線表示連接
線。
根據(jù)圖1.1 應(yīng)變式傳感器（電子秤傳感器）已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中4 片應(yīng)
變片和加熱電阻已連接在實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降腞1、R2、R3、R4 和加熱器上。傳感器左下角應(yīng)
變片為R1；右下角為R4；右上角為R3、左上角為R2。當(dāng)傳感器托盤支點(diǎn)受壓時(shí)，R1、R4 阻值減小，R2、R3阻值增加，可用四位半數(shù)顯萬用表進(jìn)行測(cè)量判別。常態(tài)時(shí)應(yīng)變片阻值為350Ω ，
加熱絲電阻值為50Ω 左右。
2、實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒?dòng)放大器調(diào)零
方法為：①接入模板電源±15V(從主控箱引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，
將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逶鲆嬲{(diào)節(jié)電位器Rw3 順時(shí)針調(diào)節(jié)到大致中間位置，②將差放電路的正、負(fù)輸入
端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi 相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位
器Rw4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V 檔)，完畢關(guān)閉主控箱電源。
圖 1.1 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０咫娐芳皢伪垭姌蚪泳€圖
圖 1.2 應(yīng)變傳感器測(cè)量電路
（二）應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)
1、電橋接線及調(diào)零：參考圖1.1 接入傳感器，將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R1(即
模板左下方的R1)接入電橋作為一個(gè)橋臂，它與R5、R6、R7 接成直流電橋(R5、R6、R7 在模
塊內(nèi)已連接好)，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開
關(guān)，調(diào)節(jié)Rw1 使數(shù)顯表顯示為零。
2、單臂電橋?qū)嶒?yàn)：在傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼并
讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，再依次減少砝碼重復(fù)做一次。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1.1 畫出實(shí)驗(yàn)曲
線。
表1.1 應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)表
3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：根據(jù)表1.1 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S = ΔU / ΔW （ΔU 輸出電壓變化量，
ΔW 重量變化量）和非線性誤差δ ， = Δ / ×100% FS δ m Y 式中Δm 為輸出值（多次測(cè)量時(shí)
為平均值）與擬合直線的最大偏差； FS Y 滿量程輸出平均值，此處為200g (或500g)，同時(shí)
在曲線上標(biāo)注出回程誤差大小。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。
（三）應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)
1、保持實(shí)驗(yàn)步驟（二）的各旋鈕位置不變，根據(jù)圖1.3 接線，R1、R2 為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄蠓?br>的應(yīng)變片，注意R2 應(yīng)和R1 受力狀態(tài)相反，即橋路的鄰邊必須是傳感器中兩片受力方向相反
(一片受拉、一片受壓)的電阻應(yīng)變片。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表指示為零。
注意保持放大器增益Rw3 不變。
2、應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)：同實(shí)驗(yàn)（二）第2 步驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1.2。
圖1.3 應(yīng)變傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖
3、實(shí)驗(yàn)要求：畫出實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算靈敏度S = ΔU / ΔW 2 ,非線性誤差δ 、回程誤差大
小。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。
（四）應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)
1、保持實(shí)驗(yàn)步驟（三）的各旋鈕位置不變，根據(jù)圖1.4 接線，將R1、R2、R3、R4 應(yīng)變
片接成全橋，注意受力狀態(tài)不要接錯(cuò)，調(diào)節(jié)零位旋鈕Rw1，使電壓表指示為零，保持放大器
增益Rw3 不變，逐一加上砝碼，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，再依次減少砝碼重復(fù)做一次。將
實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1.3。
2、應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)：同實(shí)驗(yàn)（二）第2 步驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1.3。
表1.3 應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)表
圖1.4 應(yīng)變傳感器全橋?qū)嶒?yàn)接線圖
（五）金屬箔式應(yīng)變片的溫度影響實(shí)驗(yàn)
1、保持實(shí)驗(yàn)步驟（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2、將200g 砝碼加于砝碼盤上，在數(shù)顯表上讀取某一數(shù)值U01。
3、將主控箱上+5V 直流穩(wěn)壓電源接于實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓募訜崞鞑蹇?，?shù)分鐘后待數(shù)顯電壓表
顯示基本穩(wěn)定后，記下讀數(shù)Uot，Uot-Uo1 即為溫度變化對(duì)全橋測(cè)量的影響。計(jì)算這一溫度
變化產(chǎn)生的相對(duì)誤差：
實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。
五、思考題
1、半橋測(cè)量時(shí)，二片不同受力狀態(tài)的應(yīng)變片接入電橋時(shí)應(yīng)放在（1）對(duì)邊、（2）鄰邊，
為什么？
2、比較單臂、半橋和全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，從理論上進(jìn)行分析比較，闡述
理由。
3、金屬箔式應(yīng)變片溫度影響有哪些消除方法？
4、 有興趣的同學(xué)選做：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按端值法求出擬合方程，并計(jì)算出各加載點(diǎn)對(duì)
應(yīng)的理論輸出值Usci （對(duì)單臂橋、半橋和全橋分別進(jìn)行計(jì)算）。
六、考核方式
課堂表現(xiàn)10%，實(shí)際操作30%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告60%。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論