应变片与交流电桥
测量电桥应用的试验
测量电桥应用的试验一、实验目的：掌握测量电桥的应用，练习各种组桥并比较测量灵敏度。
二、实验原理：通过应变片可以将试件的应变转换为应变片的电阻变化，通常这种变化是很小的。
要实现测量，必须用适当的办法检测电阻值的微小变化。
为此，一般是把应变片接入某种电路，使电路输出一个能模拟这个电阻变化的电信号。
常用的电路有三种，即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。
应变电桥一般采用交流电源，因而桥臂不能看作是纯阻性的，这将使推导变得复杂，对于直流电桥和交流电桥而言，其一般规律是相同的，为了能用简单的方式说明问题，我们分析直流电桥的工作原理。
（一）直流电桥在图1-1中，设电桥各桥臂电阻分别为R 1、R 2、R 3、R 4，其中的任意一个都可以是应变片电阻。
图1-1 直流电桥电桥的A 、C 为输入端，接上电压为U AC 的直流电源，而B 、D 为输出端、输出电压为U BD ，且4411R I R I U U U AD AB BD −=−= （a ）由欧姆定律知)((344211R R I R R I U AC +=+=）＝固有344211R R U I R R U I ACAC +=+=， 将I 1，I 4代入（a ）式经整理后得到))((43214231R R R R R R R R U U ACBD ++−= （1－1）当电桥平衡时，U BD ＝0。
由（1－1）式可得电桥平衡条件为4231R R R R = （1－2）设电桥四个臂的电阻R 1＝R 2＝R 3＝R 4，均为粘贴在构件上的四个应变片，且在构件受力前电桥保持平衡，即U BD ＝0，在构件受力后，各应变片的电阻改变分别为△R 1、△R 2、△R 3和△R 4，电桥失去平衡，将有一个不平衡电压U BD 输出，由（1－1）式可得该输出电压为))(())(())((4433221144223311R R R R R R R R R R R R R R R R U U ADBD Δ++Δ+Δ++Δ+Δ+Δ+−Δ+Δ+=将（1－2）式代入上式，且由于△R 1«R 1，可略去高阶微量，故得到)(444332211R R R R R R R R U U AC BD Δ−Δ+Δ−Δ=根据KRR /Δ=ε，上式可写成 )(44321εεεε−+−=KU U AC BD （1－3） 上式表明：4KU AC 为一常数，由应变片感受到得)(4321εεεε−+−，通过电桥可以线性地转变为电压的变化U BD 。
电桥电路
分类。
（1）按电源分，有直流电桥和交流电桥
直流电桥桥臂只能接入电阻。它主要用于应变电桥输出可直接显示（如接励电式指示器
或光线示波器振子）而无需中间放大场合，如半导体应变计。
交流电桥桥臂可以是 R、L、C。主要用于输出需放大的场合，如金属应变计等。
（2）按工作方式分，有平衡桥式电路（零位测量法）和不平衡桥式电路（偏差测量法）。
E 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
U 0K 4
(1
2
3
4)
（3.9）
2.温度补偿片
电阻片的电阻随温度的变化而变化，利用电桥的加加减特性，通过温度补偿片来消除这
一影响。所谓温度补偿片，是将电阻片贴在与构件材质相同但不参与变形的一块材料上，并
于构件处于相同的温度条件下。将补偿片正确连接在桥路中即可消除温度变化产生的影响。
平衡桥式电路带有手调或者自调整桥臂平衡的伺服反馈机构。仪表指示测量值时，电
桥处于平衡状态。常用于高精度、长时间静态应变测量，如双桥式静态应变仪。
不平衡桥式电路的输出，是与桥臂应变量成一定函数关系的不平衡电量，然后放大、显
示。仪表指示测量值时，电桥处于不平衡状态，它响应快，便于处理：常用于动态应变测量。
U SC
U0 4
K (1
2
3
4)
（3.5）
由上式表明，由应变片感受到的（ε1－ε2＋ε3－ε4），通过电桥可以线性地转变为电 压的变化 UBD，只要对这个电压的变化量进行标定，就可用仪表指示出所测量的（ε1－ε2 ＋ε3－ε4），公式（3．5）还表明，相邻桥臂的应变相减，相对桥臂的应变相加，这一特 性称为电桥的加减特性，今后将多次用到这一特性
应变片电路
应变片电路
应变片电路通常由应变片、电桥电路和放大器组成。
应变片是一种能将机械变形转换为电阻变化的传感器，常用于力学测量中。
其基本结构包括基底、敏感栅、覆盖层、粘合层和引出线等部分。
当被测试元器件受到力而产生应变时，应变片能将这种应变转化为电阻变化。
为了将这种微小的电阻变化转化为可测量的电压信号，应变片需要与电桥电路一起使用。
电桥电路由四个桥臂组成，其中一个或多个桥臂接应变片，其余桥臂接固定电阻。
当应变片发生应变时，其电阻值发生变化，导致电桥电路失去平衡，输出电压信号。
该电压信号与施加的应变成正比，因此可以用于测量应变或力。
由于应变片电桥电路的输出信号通常很微弱，因此需要使用放大器进行信号放大。
放大器可以采用直流放大器或交流放大器，具体选择取决于应变片电路的应用场景和要求。
在实际应用中，为了防止零点漂移等现象，多采用交流放大器对信号进行放大处理，因此应变片电桥电路一般都采用交流电供电，组成交流电桥。
《应变电桥》课件
目录
• 应变电桥的基本概念 • 应变电桥的种类与特点 • 应变电桥的设计与制作 • 应变电桥的测量误差与补偿 • 应变电桥的应用实例
01
应变电桥的基本概念
应变电桥的定义
应变电桥是一种测量应变和应力的传 感器，通过将应变片粘贴在试件上， 当试件受力变形时，应变片电阻值发 生变化，从而测量应变和应力。
。
02
应变电桥的种类与特点
直流应变电桥
直流应变电桥通常由四个电阻 器组成，其中两个作为工作臂 ，另外两个作为比较臂。
直流应变电桥的优点在于其测 量精度高，稳定性好，且对应 变量的测量范围较广。
直流应变电桥的缺点在于其需 要稳定的电源，且在测量过程 中容易受到温度等因素的影响 。
交流应变电桥
交流应变电桥通常由三个电阻器 组成，其中两个作为工作臂，另
详细描述
零点漂移误差是由于应变电桥的零点处的电阻值随时间变化而产生的，这会导致测量结果出现偏差。 为了减小零点漂移误差，可以定期对电桥进行校准，确保其零点处的电阻值准确。同时，也可以采用 软件算法对测量数据进行实时校准，以减小零点漂移对测量结果的影响。
线性误差及其补偿
总结词
线性误差是由于应变电桥的输出电压与 输入电压之间的线性关系不成立而引起 的测量误差，可以通过硬件和软件补偿 方法进行减小。
在力传感器中的应用
总结词
高灵敏度、低成本、易于集成
详细描述
应变电桥在力传感器中应用时，具有高灵敏度、低成本和易于集成等优点。通 过将力转换为应变，应变电桥能够精确地测量力的大小，广泛应用于称重测量 、拉力测量、扭矩测量等领域。
在位移传感器中的应用
总结词
线性关系好、长期稳定性好、可靠性高
金属箔式应变片交流全桥实验报告doc
金属箔式应变片交流全桥实验报告篇一：自动化传感器实验报告三__金属箔式应变片——全桥性能实验实验三项目名称：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原理及优点。
二、基本原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KE?。
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明显改善。
三、需用器件和单元传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤1．根据图3-1接线，实验方法与实验二相同。
将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。
图3-1 应变式传感器全桥实验接线图五、实验注意事项1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。
2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。
一、实验目的了解全桥测量电路的原理及优点。
二、基本原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝1KE?。
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明显改善。
三、需用器件和单元传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤1．根据图3-1接线，实验方法与实验二相同。
将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。
表3-1全桥输出电压与加负载重量值图3-1 应变式传感器全桥实验接线图2五、实验注意事项1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。
2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。
应变片4交流电桥PPT课件
R6 R4
D
～ U
U o
15
B
C1
C2
R1
R2
A
C
C3
C4
R3
R4
～ U
U o
16
R1 A
R3
B
C
R2
C R
R4
～ U
U o
17
当被测应力变化引起 Z1=Z10+ΔZ , Z2=Z20—ΔZ 变化时（且Z10=Z20=Z0），
则电桥输出为
18
UoUZ02Z 0Z1212U ZZ0
1 Z
Uo
U 2
Uo
R3
R4
U
～ 4
每一桥臂上复阻抗分别为
Z1 1
Z2 1 Z 3 R3 Z 4 R4
R1
j R 1C 1
R2
j
R 2C
2
5
C1、C2表示应变片引线的分布电容。
6
Uo
U Z1Z4Z2Z3 (Z1Z2)(Z3Z4)
要满足电桥平衡条件，
即Uo=0， 则有 Z1Z4=Z2Z3
7
取Z1=Z2=Z3=Z4
3.4.2 交流电桥 直流电桥输出电压很小， 需加放大器， 而直流放大器易于产生零漂， 因此应变电桥多采用交流电桥。 半桥差动交流电桥的一般形式
1
Z1
Z2
Uo
Z3
Z4
U
～
2
供桥电源为交流电源，引线分布电 容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，
即相当于两只应变片各并联了一个 电容。
3R2
D
～ U
(a )
B
C1
C2
R1
R2
A
实验四__金属箔式应变片----交流全桥
实验四金属箔式应变片----交流全桥一、实验目的:了解交流供电的四臂应变电桥的原理和应用二、所需单元及部件:音频振荡器,电桥,差动放大器,移相器,相敏检波器,低通滤波器, V/F表,双平行梁称重传感器,应变片,砝码,主、副电源,示波器有关旋钮的初始位置:音频振荡器5KHZ,幅度关至最小, V/F表打到20V档,差动放大器增益旋到最大三、实验步骤:1、差动放大器调零:将差动放大器(+),(-)输入端与地短接,输出端与V/F 表的Vi端相连,开启主副电源后调差放的调零旋钮使V/F表显示为零, V/F表切换开关置2V档,细条差放调零旋钮使V/F表显示为零,然后关闭主副电源2、按图5接线,图中R1,R2,R3,R4为应变片,W1,W2,C,r为交流电桥调节平衡网络,电桥交流激励源必须从音频振荡器的LV输出口引入,音频振荡器旋钮置中间位置音频振荡器V～L VW2 C W1R1R4RR3R2相敏检波器低通滤波器V/F表示波器移相器电桥平衡网络应变片图5＋－1φ2φ3、将V/F表的切换开关置20V档,示波器X扫描是切换到0.1-0.5ms(以合适为宜),Y轴CH1或CH2切换开关置5V/div,音频振荡器的频率旋钮置5KHZ,幅度旋钮置中间幅度,开启主副电源,调节电桥网络中的W1,W2,使V/F表和示波器显示最小,再把V/F表和示波器Y轴的切换开关分别置2V档和50mv/div,细条W1和W2及差动放大器调零旋钮,使V/F表显示值最小,示波器的波形大致为一条水平线(V/F表显示值与示波器不完全相符时两者兼顾即可).再用手轻轻按住双平行梁沉重传感器托盘(梁右端磁钢处)的中间产生一个位移,调节移相器的移相旋钮,使示波器显示全波检波的图形,放手后,梁复原,示波器图形基本成一条直线4、在传感器托盘上放一只砝码,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,根据所得结果计算灵敏度S=△V/△W,并作出V-W关系曲线, △V是电压变化率, △W是相应的质量变化率。
第5章应变仪
图5-4 载波放大式静态电阻应变仪
p.10
理论力学
理论力学
（1）测量电桥 它的功能与直流放大式电阻应变仪相同，电桥输入端的桥压为振荡器 提供的正弦式载波电压。测量电桥包括电阻、电容平衡电路。 （2）读数电桥 要求精度较高的仪器（例如YJ－5型静态应变仪）都设有读数电桥， 它的四个桥臂由高精度的可调电阻器构成，且与测量电桥用同一载波振荡 器供电。读数电桥与测量电桥在输出端是串联的。 当测量电桥因感 受应变而输出一个等幅电压时，指示器指针偏移，调整读数桥桥臂电阻值， 使之输出一个与测量电桥输出电压等幅、相位相反的电压，这两个电压的 迭加结果，使输入放大器的电压为零，指示器的指针又重新指零。读数桥 上各可调电阻的电阻变化换算成相应的应变值。因此，在仪器的刻度盘上 可直接读出应变值。 （3）交流放大器 交流放大器的作用是将测量电桥输出的微弱电压信号放大。 （4）相敏检波器 由于应变仪采用了交流供压载波放大的型式，由放大器输出的信号 是由被测应变信号对载波进行调幅后的调制信号，这个信号虽含有被测信 号的特征，但还不是被测信号的原型，不能分辨应变的性质是正应变还是 负应变。相敏检波器的功能就是使通过相敏检波的调制信号恢复原正负应 变的性质。
理论力学
理论力学
第五章 电阻应变仪
第一节 电阻应变仪的工作原理
在第四章中介绍了使用电阻应变片测量应变是利用应变 片的电阻应变效应，由式（4-2）可得
1 R K R
（5-1）
式（5-1）中为应变片灵敏系数；R为应变片原始电阻；为应 变片电阻改变量。
p.1
理论力学
理论力学
一、直流电桥
图5-1为惠斯登电桥的原理 图。电桥中的电阻Rl、R2、R3和 R4组成四个桥臂AB、BC、CD和DA。 当四个桥臂的电阻值相等时电桥 平衡，则BD之间的输出电压。若 电桥中的任意一个电阻发生变化， 电桥平衡被破坏，输出电压不再 为零，所以电压定量地反映了桥 臂电阻值的变化。
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实验二 应变片与交流电桥、应变片电桥的应用
一、相敏检波器、移相器实验
实验目的：了解相敏检波器的原理和工作情况。
实验准备：预习
实验仪器和设备：相敏检波器、音频振荡器、移相器、直流稳压电源、低通滤波器、F/V表、双踪示波器
实验原理：相敏检波利用参考端电压的极性不同，导致输入—输出相位发生改变的原理。
实验注意事项：由于作为电子开关的场效应管3DJ7H性能所限，相敏检波器输出有两个半波不一样的现象。
实验内容：
（1）把音频振荡器的输出电压（0°输出端）接至相敏检波器的输入端4。
（1） 将直流稳压电源打到±2V档，把输出电压（正或负均可）接到相敏检渡器的参考输入端1（DC）。
参考输入端也称相敏检波器的控制端，控制信号是直流时，接1，交流时
（3）把示波器的两根输入线分别接到相敏检波器的输入端和输出端，观察输入和输出波形的相位关系和幅值关系。
（4）改变参考输入端1的电压极性，观察输入输出波形的相位和幅值关系。
由此可得出结论，当参考电压为正时，输入与输出 相，当参考电压为负时，输入与输出
相，此电路的放大倍数为 倍。
（5）从音频振荡器的0°输出插口输出信号再接一根线至移相器输入端，移相器的输出端与相敏检波器的参考输入端5（AC）之间连接起来。
保持原相敏检波器的信号输入端与音频振荡器0°输出插口的连接。
（6）将示波器的两根输入线分别连到相敏检波器输入端和参考输入端5，调整移相器，使两个信号同相位。
再将接相敏检波器参考输入端5的示波器的探头移至相敏检波器输出端，观察示波器上的两个波形。
由此得出：相敏检波器和移相器组合整形电路的作用是将输入的 波转变成
波。
（7）将相敏检波器的输出端与低通滤波器的输入端连接起来，低通滤器的输出端接至电压表的输入端（20V档）。
（8）将原接于相敏检波器输入端的那根示波器输入线接至低通滤波器的输出端。
（9）适当调整音频振荡器的幅度，仔细观察示波器的波形和电压表读数变化，然后将相敏检波器的输入端接到音频振荡器的180°输出插口，保持移相器接0°不变，观察示器波的波形和电压表数字变化。
由此可以看出：当相敏捡波器的输入与控制信号（参考输入端5信号） 相时，输出为正极性的 波形，电压表指示为 极性方向的最大值，反之则输出为 极性的 波形，电压表指示为 极性的最 值。
当音频振荡器的幅值增大时，波形幅值 ，电压表读数 。
所以，相敏检波器、移相器、低通滤波器组合后可用来测量交流信号的幅值。
（10）将示波器的两根输入线分别连到相敏检波器输入端和参考输入端5，改变音频振荡器的频率，发现信号间相位 ，输出波形也发生 ，此时要重新调整移相器才能使信号间相位一致。
（11）调整移相器，使F/V表输出最大，利用示波器和电压表，测出相敏检波器的输入电压峰峰值与输出直流电压的关系。
（注意应置示波器探头衰减为×1，对应的通道VAR为最大）输入Vip-p （V）0．5 1 2 4 8
输出Vo（V）
（11）使输入信号与参考信号的相位差改为180°，测出上述关系数据：
输入Vip-p （V）0．5 1 2 4 8
输出Vo（V）
思考题
1．当相敏检波器输入为直流时，输出波形如何？其平均值为多少？
二、金属箔式应变片——交流全桥
实验目的：了解交流供电的四臂应变片电桥的工作原理、特点及其应用。
实验准备：预习
实验仪器和设备：音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、F/V 表、测微头、砝码、示波器。
实验原理：工作原理同直流电桥，但供桥电源为交流，差放的输出值也为交流电压。
实验注意事项：旋钮初始位置是，音频振荡器2kHz左右，幅度关至最小，F/V表打到2V档，差动放大器增益旋至中位。
其它还须注意的事项有：
（1）本实验也可用示波器观察各环节的波形。
（2）组桥时应注意应变片的受力状态，使桥路正常工作。
（3）差动放大器必须接成差动放大状态。
（4）如果紧接着做后续的实验，则不要变动音频振荡器的幅度旋钮及差动放大器的增益旋钮。
（5）如电压表跳动较大，请适当调整差动放大器之调零电位器。
（6）做电子称应用部分实验时，砖码应尽量放在应变梁端部的正中间。
（7）做电子称应用部分实验时，在悬壁梁系统的自由端部不得有与外部相碰擦的情况。
实验内容：
（1）按实验一的方法将差动放大器调零。
（2）引出四片金属箔式应变片（2个正片、2个负片），在电桥单元上组成全桥（注意应变片的正确接入）。
（3）按图4的电路搭成工作电桥，图中1R ～4R 为应变片，r C W W ,,2,1为调平衡网络，电桥供桥电压必须从音频振荡器的LV 插口输出（负载能力强）。
（4）将音频振荡器的幅度旋至中位。
根据相敏检波、移相器实验方法调整好移相器（使V 表的读数最大）。
如差放的输出偏小，可适当增加音频振荡器的幅度。
（5）确认测微头安装到位，调整旋紧固定螺钉，旋动测微头至10mm 处使梁处于水平位置（目测）。
调整W1与W2使电压表指零。
（W1与W2须交互反复调整）
由此可见：在交流电桥中，必须有 个可调参数才能使电桥平衡，这是因为电路存在 而引起的。
（6）旋转测微头，每隔0.50mm 读数，并填入下表： X（mm） V（mV）
根据所得数值，作出X 一V 曲线，并与前面直流电桥的结果相比较。
交流全桥的应用——电子秤 实验步骤：
（1）按图4接线，调好移相器，去掉测微头。
（2）将系统重新调零（调整W1、W2）。
（3）在位移台上加不同重量的简易法码（铁环）进行标定，将结果填入下表：
W（g） 10 20 30 40 50 60 V（V）
（4）在位移台上加上一个重量未知的重物（如：钥匙串），记上电压表的读数： （5）根据实验结果，得出未知重物的重量 。
思考题
1． 要将这个电子秤方案投入实际应用，你认为哪些部分需要改进？。