金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验
应变片单臂、半桥、全桥性能实验
1、应变片的电阻应变效应
• 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体 或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值 也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻 应变效应”。 • 以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材 料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得
• 当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积 A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变 化为dR。对式全微分得电阻变化率 dR/R为：
表2 应变片半桥实验数据
重量(g) 电压(mV)
0 0
7、根据表2实验数据作出实验曲线， 计算灵敏度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。
8、应变片全桥性能实验
• 关闭主机箱电源，按示意图接线，将±2V～±10V可调电源调 节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，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 传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中 心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表3 。
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
• • • • •
图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片； RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。 桥路输出电压 Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE 差动放大器输出为Vo。
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7、应变片半桥特性实验原理图
表1 应变片单臂电桥性能实验数据
5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S＝ ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量） 和非线性误差δ，δ=Δm/yFS ×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：yFS满量程输出平均值，此处为200g。
实验01(金属箔式应变片)实验报告
实验一金属箔式应变片测重及三种直流电桥性能比较实验实验1：金属箔式应变片单臂电桥测重实验一、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。
比较单臂/半桥/全桥的不同性能，了解其特点。
二、实验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：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数,ε=ΔL/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Uo1= EKε/4。
三、实验器械主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 2 1 位数显万用表（自备）。
四、实验接线图五、实验数据记录和数据处理实验数据如下：实验数据拟合图像如下由图像可见系统灵敏度S＝ΔU/ΔW=0.2162δ=Δm/yFS ×100％=1.904/45.3×100％=4.203％六、思考题1、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。
答：正负皆可，因为应变片的受力都会直接导致电阻的变化，从而检测到相应的电压变化。
实验2：金属箔式应变片三种桥路性能比较实验一、实验目的比较单臂/半桥/全桥的不同性能，了解其特点二、实验原理半桥测量电路中，将两只应变片接入组成电桥，电桥输出灵敏度比单臂桥路有所提高，非线性也得到了改善，其桥路输出电压UO2＝EKε／2。
全桥测量电路中，将R1、R2、R3、R4四个箔式应变片按它们的受力方向以一定的规律接入组成电桥，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UO3＝KEε，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。
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。
建议电桥平衡网络差动放大器直流电压表每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入下表：据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应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。
传感器实验1_金属箔式应变片性能
一、实验目的：了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥电桥的工作原理。
二、实验原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成，一种利用电阻材料的应变效应工程结构件的内部变形转化为电阻变化的传感器。
此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的形变，然后由电阻应变片将弹性元件的形变转化为电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或者电流变化信号输出。
它可用于能转化成形变的的各种物理量的检测。
贴片式应变片的应用：在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片半导体应变片很少应用（温漂、稳定性、线性度不好且易损坏），一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。
箔式应变片的基本结构：金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或者金属箔制成，如下图所示：金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件。
电阻丝在外力的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△R/R=Kε。
式中△R/R为电阻丝电阻的相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△L/L为电阻丝长度相对变化。
电桥是完成电阻到电压的比例变化，测取电压值。
(1)单臂电桥: 输出电压U01=EKε/4，输出信号最小，线性、稳定性较差。
(2)半桥：选用不同受力方向的应变片接入电桥作为邻边。
当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EKε/2，整体性能比单臂有所改善。
(3)全桥：将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，其桥路输出电压U03=KEε。
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。
(4)比较：量程不同，精度不同，选用比较多的是半桥或全桥。
三、使用仪器、材料：可调直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、应变片、电压/频率表、主、副电源；准备导线；副电源管下面电路部分。
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。
研究报告金属箔式应变片电桥性能实验
实验一金属箔式应变片电桥性能实验一、实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应；单臂电桥、半桥、全桥的工作原理和性能比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性误差。
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：ΔR/R=Kε式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化：对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。
对半桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/2。
对全桥而言，电桥输出电压，U01=EKε。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V 电源、±4V电源、万用表(自备)。
四、实验步骤：1、根据图(1-1),应变式传感器已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。
加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值约为50Ω左右。
2、实验模板差动放大器调零，方法为:①接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，②将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)，完毕关闭主控箱电源。
3、参考图（1-2）接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7在模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)，检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调RW4使数显表显示为零。
4 实验四 金属箔式应变片—半桥全桥
表2实验数据记录表工作片位置与方向：
组次
电桥
电压
位移
mm
-4
-3
-2
-1
初始值
+1
+2
+3
+4
1
正行程
0 mV
反行程
2
正行程
反行程
3.按实验三的图1，选用另外两箔式应变片接入电桥，构成全桥电路，记录下工作片对应图1中的位置和应变方向。开启电源，电桥调零后，测量位移值与输出电压值，填入表3。关闭电源。
表3实验数据记录表工作片位置与方向：
组次
电桥
电压
位移
mm
-4
-3
-2
-1
初始值
+1
+2
+3
+4
1
正行程
0 mV
反行程
2
正行程
反行程
四．实验注意事项（实验前必须认真阅读）
1.应变片接入电桥时应注意其受力方向，一定要接成差动电桥形式。
2.直流激励电压不能过大，以免造成应变片因过热损坏。
3.由于进行位移测量时测微头是从零到正的最大，反行程回到零后，再到负最大，因此容易造成零点偏移，因此在计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负X的灵敏度分开计算，再求平均值。
五.实验报告内容
1.画出电路原理图，简述半桥双臂和全桥的工作原理，推导工作片电阻变化值与输出电压的关系式。
2.根据记录的三组数据，重新设计表格，计算各组数据的平均值、灵敏度和回程误差，比较三种电桥连接法对灵敏度和回程误差的影响，并在同一坐标纸上画出位移与电压的实际关系曲线。
3.实验数据是否有异常？若有，试分析原因。
实验二箔式应变片三种桥路的性能比较(实验讲义)
实验二 箔式应变片三种桥路性能的比较一、实验目地：1． 了解金属箔式应变片的的原理、结构以及粘贴方式。
2． 了解电阻应变片测量电桥的工作原理，比较直流单臂电桥、半桥差动电桥和全桥差动电桥的性能。
二、实验所需部件：（CSY 10B 型传感器系统实验仪）直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁称重传感器、称重砝码（20g ×10个）、电压表（2V 档）。
三、实验原理：应变片是最常用的测力传感元件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过非平衡电桥测量电路，可以将待测量转换成电信号输出显示。
如图所示。
直流单臂电桥测量电路中只有R 1为电阻应变片。
半桥差动电桥中电阻应变片R 1和R 2构成差动形式。
全桥差动电桥中由四个应变片组成两个差动对工作。
采用差动电桥测量电路，不仅可以提高电桥的灵敏度，还可以进行温度补偿和消除非线性误差。
(a) 直流单臂电桥(b) 半桥差动电桥(c) 全桥差动电桥四、实验步骤：1．差动放大器调零。
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表（2V 档）。
用“差动调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
调零后关闭仪器电源。
2．按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R 1、R 2、R 3、和W D 为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R 为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为 ±4V 。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥W D 电位器，使测试系统输出为零。
图（1）4．在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，记录差动放大器输出电压值，并列表。
5. 在此基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。
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金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验
一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应工作原理和性能, 比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
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：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数,ε=ΔL/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Uo= EKε/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U o＝EKε／2。
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：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，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。
其桥路输出电压U o＝KEε。
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。
四、实验步骤：
应变传感器实验模板简介：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。
应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。
传感器中的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、R4 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表2K 电阻档进行测量判别。
常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。
实验模板放大器调零：用导线将实验模板上的±15V、⊥插口与主机箱电源±15V、⊥
分别相连，将实验模板中的放大器的两输出接主机箱的电压表；再将实验模板中的放大器的两输入口短接(V i＝0)；调节放大器的增益电位器R W3 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R W4，使电压表显示为零。
单臂电桥性能实验：
拆去放大器输入端口的短接线，根据图1 接线。
调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，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，200g砝码加完。
记下实验数据填入表1。
图1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
根据图2 接线。
注意R2 应和R3 受力状态是相反的，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R W1，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砝码加完。
记下实验数据填入表2 。
图2 应变式传感器半桥接线图
重量(g)
电压(mV)
全桥性能实验：
根据图3 接线。
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。
调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，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砝码加完。
记下实验数据填入表3 。
图3 全桥性能实验接线图
表3 全桥性能实验数据
重量(g)
电压(mV)
五、实验结果：
根据表1、表2、表3的实验数据，分别计算单臂、半桥和全桥系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS ×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：yFS 满量程输出平均值，此处为200g。
画出实验曲线，并单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。
阐述理由。
六、思考题：
1、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。
2、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。
3、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。
4、测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）电阻值R 相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。
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