实验二电桥测试(电阻式传感器的单臂、全桥电桥性能)实验

实验二 电桥测试

（1）电阻式传感器的单臂电桥性能实验

一、实验目的

1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。 2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。 3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。

二、实验所用单元

电阻应变式传感器、调零电桥，差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。

三、实验原理及电路

1、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥（双臂）与全桥电路，最大测量范围为±3mm。

23+5V14RRR5R 1─外壳 2─电阻应变片 3─测杆 4─等截面悬臂梁 5─面板接线图

图1-1 电阻应变式传感器

2、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR/ R＝KΔL/ L=Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/ L。通过施加外力引起应变片变形，测量电路将电阻变化转换为电流或电压的变化。

KS(12)1d

对于金属应变片，Ks主要取决于式中的第一项。金属的泊松比通常在0.3左右，对于

大多数金属Ks取2。本实验采用直流电桥来测量金属应变片的工作特性。

3．电桥的工作原理和特性 （1）电桥的工作原理

图2 是一个直流电桥．A、C端接直流电源，称供桥端，Uo称供桥电压；B、D 端接测量仪器，称输出端

UBD=UBC+UCD=UO[R3/(R3+R4)-R2/(R1+R2)] 1） 由式（1）可知，当电桥输出电压为零时电桥处于平衡状态．为保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡）．

（2）电桥的加减特性

电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化(电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出．当供桥电压一定而且△Ri<d U=( U/R1) d R1+( U/R2) dR2+( U/R3) dR3+( U/R4) dR4 2)其中U U BD ．

对于全等臂电桥，R1=R2=R3=R4=R，各桥臂应变片灵敏系数K相同，上式可简化为

d U=0.25UO(d R1 / R1- d R2 / R2+ d R3 / R3- d R4 / R4) 3） 当△Ri< U=0.25 UO ( R1 / R1-  R2 / R2+  R3 / R3-  R4 / R4) 4）式（4）为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：

（a）当只有一个桥臂接应变片时（称为单臂电桥），桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R 变为R+△R，其余各臂为固定电阻R（△R2=△R3=△R4=0），则式（4）变为

 U=0.25 UO ( R / R)= 0.25 UOKε 5） （b）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥），（见图3）即桥臂R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增量△R1、△R2，而R3和R4臂为固定电阻R（R3=R4=0）．当

两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时，则有△R1=△R2=△R，由式（4）可得△U=0．当

一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有△R1=△R，△R2=－△R，由式（4）可得

 U0.25 UO ( R / R)0.25 UO Kε] 6)

（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，△R1=△R3=△R，△R2=△R4=－△R，则式（4）变为

 U0.25 UO ( R / R)0.25 UO Kε] 7) 此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍．

（3）电桥的灵敏度

电桥的灵敏度Su是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小

Su= U/( R/ R)= 0.25 UO ( R1 / R1-  R2 / R2+  R3 / R3-  R4 / R4)/ ( R/ R) 8)

令 n=( R1 / R1-  R2 / R2+  R3 / R3-  R4 / R4)/ ( R/ R) 9) 则Su=0.25n UO 10) 式中，n 为电桥的工作臂系数．

由上式可知，电桥的工作臂系数愈大，则电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加n 及测量灵敏度．

n=1时单臂半桥 n=2时双臂半桥 n=4时双臂全桥

3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R1、R2、R3为固定，R为电阻应变片，输出电压  U=EKε 11）

E---电桥转换系数：单臂E= U0/4 半桥（双臂）E= U0/2 全桥 E= U0 4.由10）11）可知：Su、 U均与电桥的工作臂数、Uo供桥电压成正比；但Uo供桥电压过大会使应变片的温度变大。

R3RP2R3128+15V+5VAR1DR1R23R5VRP176rRPBER2RC电 阻传感器OP07R44R4-15V差动放大器 调零电桥图1-2 电阻式传感器单臂电桥实验电路图

四、实验步骤

1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。 2、实验箱上差动放大器（实验台内部已连接±15V），；将差动放大器放大倍数电位器RP1旋钮（实验台为增益旋钮）逆时针旋到终端位置。

3、用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V档按键（实验台为将电压量程拨到20V档）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。 4、按图1-2接线，R1、R2、R3（调零电桥上的固定电阻）与一个的应变片构成单臂电桥形式。

5、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。

表 1-1 X(mm) -0.4 -0.8 -1.2 -1.6 UO(mV) -2 0.4 0.8 1.2 1.6 2 五、实验报告

1、根据表1-1中的实验数据，画出输入/输出特性曲线UOf(X)，并且计算灵敏度和非线性误差。

2、传感器的输入电压能否从＋5V提高到＋10V？输入电压的大小取决于什么？

3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。

（2） 电阻式传感器的全桥性能实验

一、实验目的

掌握全桥电路的工作原理和性能。

二、实验所用单元

同上。

三、实验原理及电路

将四个应变片电阻分别接入电桥的四个桥臂，两相邻的应变片电阻的受力方向不同，组成全桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度进一步提高，非线性得到改善。实验电路图见图3-1，全桥的输出电压 U=EKε

四、实验步骤

1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。

2、按图3-1接线，将四个应变片接入电桥中，注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。

R3RP2RR128+15V+5VR1R2RR3R5VRP176rRPOP07R44R4调零电桥电 阻传感器-15V差动放大器

图3-1 电阻式传感器全桥实验电路

3、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值UO记入下表中。

表 3-1 X(mm) -0.4 -0.8 -1.2 -1.6 UO(mV) -2 0.4 0.8 1.2 1.6 2 五、实验报告

1、根据表3-1，画出输入/输出特性曲线UOf(X)，并且计算灵敏度和非线性误差。

2、全桥测量时，四个应变片电阻是否必须全部一样？