实验一 金属箔式应变片 单臂、半桥、全桥性能比较实验
金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较(自检实验一)
实验报告实验项目名称：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较同组人试验时间年月日，星期，节实验室K2，508传感器实验室指导教师一、实验目的1、了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。
2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、实验原理电阻丝在外来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：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。
同时，由于应变片敏感栅丝的温度系数的影响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。
金属箔式应变片是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003-0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。
金属箔式应变的电阻变化范围很小，用欧姆表测量其阻值的变化十分困难，所以我们一般会用电桥来测试金属箔式应变的变化，将电阻的变化量转换成电压的变化量。
图6.1 应变电桥电路由于电压源电桥的测试精度受电源电压波动影响，测量灵敏度也随之变化，所以本实验是有恒流源供电:,（2-1）图6.1（a）为单臂电桥电路，R1为应变片电阻，R2、R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。
图6.1（b）为半桥电桥电路，R1、R2为应变片电阻，R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。
图6.1（c）为全桥电桥电路，R1、R2、R3、R4为应变片电阻，,,代入式（2-1）。
三、所需单元及部件STIM-01模块、STIM-05模块;±15V电源、万用表;电子连线若干四、实验步骤一、单臂电桥性能实验1、按图6.2连接好各模块，接上模块电源。
2、称重盘上不放任何东西，使STIM-01模块差动放大器上的增益调节到最大，调节STIM-05模块上的电位调节旋钮，使STIM-01模块差分放大输出OUT1接近于0V（用万用表测得）。
实验一应变片单臂半桥全桥比较
实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。
所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。
旋钮初始位置：2V挡，F/V表打到2V挡，差动放大增益最大。
实验步骤：1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。
根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
R x= R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V挡，F／V表置20V挡。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V挡，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。
图１3．将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平行梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
4．往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移，记下F／V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入下表：电桥平衡网络差动放大器直流电压表应F／V表显示的电压相应变化）。
5．实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。
注意事项：1．电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。
2．做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验
金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验本实验旨在通过测试金属箔式应变片的不同结构（单臂、半桥、全桥）对应变的检测效果进行比较。
实验采用了五个不同力值的负载，并通过相应的电桥电路将应变信号转化成电压信号进行读数。
实验过程中，我们首先制备了三种不同结构的金属箔式应变片。
单臂应变片的结构只有一个箔片悬挂在支架上，一端连接到外接电路中，另一端用隔绝材料与支架接触。
半桥应变片由两个箔片组成，一端紧贴在支架上，另一端则悬挂在外接电路中。
全桥应变片则是由四个箔片组成的，互相垂直组成一个正方形，四个角分别连接外接电路。
制备完成后，我们将三种结构的应变片依次进行了负载实验。
实验结果显示，三种类型的应变片在不同力值下的电压变化情况基本类似，但不同结构之间仍存在着一定差异。
在相同情况下，半桥和全桥应变片的电压输出量均高于单臂应变片。
当负载力值增大时，差别也更加明显。
数据分析后，我们认为这是由于半桥和全桥结构的电桥电路更为复杂，能够更好地抵消环境中的噪声影响，从而提高了测量精度。
在实验中，我们还发现了一个问题，即金属箔式应变片在不同应变方向下的电性能并不相同。
我们在测试中对金属箔的垂直方向和水平方向分别进行了测试，结果表明，垂直方向的应变片输出电压更稳定、更大。
我们分析认为，这是因为垂直方向对应的应变载荷更加均衡，能够更好地发挥应变片本身的性能。
总的来说，本实验通过比较不同结构的金属箔式应变片，揭示了应变载荷和电桥电路复杂性对应变检测的影响。
这有助于我们在实际测量和应用中更好地选择和使用相应的结构来满足不同的检测需求，提高测量精度和可靠性。
金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较(自检实验一)
实验报告实验项目名称：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较同组人试验时间年月日，星期，节实验室K2，508传感器实验室指导教师一、实验目的1、了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。
2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
二、实验原理电阻丝在外来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：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。
同时，由于应变片敏感栅丝的温度系数的影响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。
金属箔式应变片是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003-0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。
金属箔式应变的电阻变化范围很小，用欧姆表测量其阻值的变化十分困难，所以我们一般会用电桥来测试金属箔式应变的变化，将电阻的变化量转换成电压的变化量。
图6.1 应变电桥电路由于电压源电桥的测试精度受电源电压波动影响，测量灵敏度也随之变化，所以本实验是有恒流源供电:,（2-1）图6.1（a）为单臂电桥电路，R1为应变片电阻，R2、R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。
图6.1（b）为半桥电桥电路，R1、R2为应变片电阻，R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。
图6.1（c）为全桥电桥电路，R1、R2、R3、R4为应变片电阻，,,代入式（2-1）。
三、所需单元及部件STIM-01模块、STIM-05模块;±15V电源、万用表;电子连线若干四、实验步骤一、单臂电桥性能实验1、按图6.2连接好各模块，接上模块电源。
2、称重盘上不放任何东西，使STIM-01模块差动放大器上的增益调节到最大，调节STIM-05模块上的电位调节旋钮，使STIM-01模块差分放大输出OUT1接近于0V（用万用表测得）。
试验一金属箔式应变片性能及单臂半桥全桥比较
实验一金属箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥比较一、实验目的了解金属箔式应变片的工作原理和工作情况验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系二、需用器件与单元直流稳压电源、电桥、差动放大器Ⅰ、应变片传感器、砝码、电压表、电源。
三、有关旋钮的初始位置直流稳压电源调到±4V，电压表打到20V挡，差动放大器增益打到最大。
四、实验步骤1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察应变片传感器上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片。
2、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与电压表的输入插口Ui 相连；开启电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭电源。
图1单臂电桥参考接线图3、 根据图 1单臂电桥参考接线图，接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
Rx 为应变片；将稳压电源调置到±4V ，电压置20V 挡。
开启电源，调节电桥平衡网络中的R W1，使电压表显示为零，然后将电压表置2V 挡，再调电桥R W1（慢慢地调），使电压表显示为零。
用手轻轻的按一下应变片传感器上的托盘，松开手后观察差动放大输出是否为0，如果不是，就还需要继续调节R W1，使输出为0。
反复操作这个步骤2-3遍就可以了。
将砝码逐个轻轻的放在应变片传感器的托盘上，放置砝码的时候不能碰到导线以及实验仪的其他部位，每放一个砝码记入下一个数据，ΔX ＝20g ，将这些数值填入下。
根据所得结果计算系统灵敏度S=ΔV ／ΔW ，并作出V-W 关系曲线，ΔV 为电压变化率，ΔW 为相应的重量变化率。
实验完毕，关闭电源。
4、 保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与Rx 工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥（请在图 2中画出接线图），调节电桥W1使电压表显示表显示为零，重复（3）过程同样测得读数，填入下表：应变片BF 1BF2BF3BF差动变换器1电压表200mV2V20V电桥w1w2图 2半桥接线图5、 保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。
传感器实验报告---实验一-金属箔式应变片性能—半桥、全桥单臂电桥
北京XX 大学实验报告课程（项目）名称：金属箔式应变片性能一半桥、全桥单臂电桥级: 绩:院:自动化 业: 自动化号: 名:2013年12月10日、任务与目的了解金属箔式应变片，差动半桥的工作原理和工作情况。
金属箔式应变片是一种敏感器件，当它在外力作用下发生机械变形时，其电阻丝阻值发 生变化，这就是电阻应变效应，通过它将被测部位的受力状态变化转化为阻止的变化。
再通 过电桥可以把电阻的变化转化为电压的变化，从而其输出反映了相应的受力状态。
单臂电桥 输出电压U 二EK E /4。
半桥测量电路中，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EK £ /2。
三、内容与步骤（1） 了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔 式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双 平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
（2） 将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+ ）、负（-）、地短接。
将差动放大器的输出端与F /V 表的输入插口 Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位 置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F / V 表显示为零，关闭主、副电源。
（3） 根据图4接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。
Rx 为应变片；将稳压电源的切换开 关置±4V 档，F /V 表置20V 档。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的 W1使F /V 表显示为零（粗调），然后将F / V 表置2V 档，再调电桥 W1（慢慢地调）， 使F / V 表显示为零（细调）。
图4安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合） F /V 表显示最小，再旋动测微头，使显示为零(细调零)，这时的测微头刻度为零位的相应刻度并记下这个刻度值。
试验一单臂电桥半桥和全桥的比较
实验一 单臂电桥、半桥和全桥的比较实验目的：了解金属箔片式应变片，验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。
所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬梁称重传感器、砝码、应变片、F/V 表、主、副电源。
实验原理与公式： （1）单臂电桥平衡条件： R 1R 4 = R 2R 3输出电压：灵敏度：（2）半桥平衡条件： R 1R 4 = R 2R 3输出电压：灵敏度：（3）全桥平衡条件： R 1R 4 = R 2R 3输出电压：RR E U 104∆⋅=4E U K ＝102R E U R∆=⋅2E U K ＝10R U ER∆=旋钮初始位置：直流稳压电源拨到2V档，F/V表拨到2V档，差动放大器增益旋钮调到最大。
实验步骤：（1）了解所需单元、部件在实验仪上的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下两片梁的外表面各贴两片应变片。
（2）差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。
将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口vi 相连；调节差动放大器的增益旋纽到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，然后关闭主、副电源。
（3）根据下图，R1、R2、R3为电桥的固定电阻；R4＝Rx为应变片。
将稳压电源的切换开关置4v档，F/V表置20v。
开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F/V表显示为零，等待数分钟后将F/V表置2v，再调节电桥W1（慢慢调）使F/V 表显示为零。
（4）在传感器的托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。
表1（5）保持放大器增益不变，将固定电阻R3换为与R X(R4)工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节电桥的W1使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入表2。
表2可，否则相互抵消没有输出电压。
接成一个直流全桥，调节电桥的W1，同样使F/V 表显示为零。
金属箔式应变片-单臂,半桥,全桥比较实验报告
金属箔式应变片-单臂,半桥,全桥比较实验报告实验目的
本实验旨在比较单臂、半桥和全桥金属箔式应变片三种桥式应变测量方式的各项性能
指标，以确定实验系统采用哪种应变电阻测量方式更为合适。
实验原理
金属箔式应变片是一种通过钢带和金属铋素材以及其他电子组件构成的应变测量系统，它以电阻变化反映外力作用于它所处位置上应变参数比如应力、压力、位移等的变化。
桥
式应变测量系统主要把箔式传感器通过桥式电路连接，采用桥式方式结成形成的放大系统，以及与之相配的信号处理装置，能够检测更小的微小应变，从而实现压力、位移等多变量
的实时测量。
实验装置
在实验中，我们使用了一台微工控机，一台注塑机（模具温度可调），10只单臂、半桥和全桥金属箔式应变片，三种不同的应变测量系统，以及一套由计算机驱动的数据采集
系统。
实验方法
1.首先，我们调节注塑机的温度到所测试的温度等级，保持它处于恒定的温度状态。
2.然后，给定三种桥式应变片金属箔所处的表面位置，将10只应变片分别安装在相
同位置，连接到同一个微控机上。
3.在测试温度范围内，做240次应力波动，每次应力值为奇数，持续时间为一小时。
4.计算一小时内每只应变片的平均应变值，并记录三种应变测量方式的误差。
5.回算比较三种金属箔式应变片的应变特性，最终选出最佳的应变测量方式。
实验结果
在实验中，通过比较计算得出的结果，可以看到半桥式箔式应变片的平均应变值小于
单桥式和全桥式，误差也最小，使用效果最好。
因此在实际系统中采用半桥式的应变测量
更为合适，能够取得更高的测量精度和可靠性。
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实验一 金属箔式应变片 单臂、半桥、全桥性能比较实验
一、实验目的
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差，得出相应的结论。
二、实验原理
电阻丝在外力作用下发生机械形变时，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
ε⋅=∆k R
R
（1） 式中 R
R
∆为电阻丝电阻相对变化；k 为应变灵敏系数；
l l ∆=ε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组件。
如图1所示，将四个金属箔式应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，则应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。
图1 应变式传感器安装示意图
三、主要实验设备
1．应变传感器实验模块 2．托盘 3．砝码
4．±15V 、±4V 电源 5．直流电压表 6. 万用表（自备）
四、实验内容
1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图2所示R5=R6=R7=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
R
R R
R E
U ∆⋅
+∆⋅=
211/4
0 （2）
其中，E 为电桥电源电压。
2．差动放大器调零。
从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 接数显电压表（选择2V 档）。
将电位器调节放大倍数的Rw4调到适当位置（注意：不能置于逆时针最小位置！），调节电位器Rw3使电压表显示为0V 。
关闭主控台电源（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）。
3．按图2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。
图2 单臂电桥面板接线图
4．加托盘后电桥调零。
电桥输出接到差动放大器的输入端Ui
，检查接线无误后，合上
主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。
5．在应变传感器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 砝码加完，记下实验结果，填入表1。
表1 单臂、半桥、全桥测量时，输出电压与砝码重量的关系
6．不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图3。
电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 R
R
E k E U ∆⋅
=⋅⋅=
220ε （3） 式3表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
保持Rw3、Rw4的位置不变，按图3接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边；加托盘后调节Rw1将电桥调零；在应变传感器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 砝码加完，记下实验结果，填入表1。
图3 半桥电桥面板接线图
7．全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出
Uo=R
R
E ∆⋅
（4） 式中E 为电桥电源电压；
R
R
∆为电阻丝电阻相对变化。
式4表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
保持Rw3、Rw4的位置不变，按图4接线，将四只应变片接入电桥，始终保持相邻的两只应变片受力方向相反；加托盘后调节Rw1将电桥调零；在应变传感器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 砝码加完，记下实验结果，填入表1。
8．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
图4 全桥电桥面板接线图
五、实验总结
1．根据实验所得数据计算单臂系统灵敏度S1＝ΔU/ΔW （ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）。
2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/y F..S ×100％。
式中Δm 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 为满量程（200g ）输出平均值。
3．根据所得实验数据，计算半桥的灵敏度S2和非线性误差δf 2。
4．根据实验数据，计算全桥的灵敏度S3和非线性误差δf3。
5．比较三种电桥的灵敏度和非线性误差。
将得到的结论与理论计算进行比较。
六、预习及思考
1．预习教材中有关电阻应变传感器的内容。
2．引起半桥测量的非线性误差原因是什么？
3．半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？
4．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。