直流电桥实验
实验一 直流电桥实验
一、实验目的:
金属箔式应变片的应变效应,单臂、半桥、全桥测量电路工作原理、性能。
二、实验仪器:
应变传感器实验模块、托盘、砝码、试验台(数显电压表、正负15V直流电源、正负
4V电源)。
三、实验原理:
电阻丝在外力作用下发生机械变形,电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,关系式:
,R (1-1),,k R
,R式中 为电阻丝电阻相对变化; R
k为应变灵敏系数;
,l,为电阻丝长度相对变化。 ,l
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1-1所示,将四个金属箔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,应变片随弹性体形变被拉伸,或被压缩。当受到压力时,上面二个应变片被拉伸,下面二个应变片则被压缩。
图1-1 双孔悬臂梁式称重传感器结构图
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,
(1) 单臂电桥:如图1-2所示R=R=R=R为固定电阻,与应变片一起构成一个单臂电567
桥,其输出电压
E,R/RU,, (1-2)01,R41,,2R
为电桥电源电压; E
1,R式(1-2)表明单臂电桥输出为非线性,非线性误差为L=。,,,100%2R
(2) 半桥:不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,如图1-3。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
E,k,E,R, U,,,022R
(1-3)
,Rk式中 为电阻丝电阻相对变化;为应变灵敏系数; R
,l,为电阻丝长度相对变化; ,l
为电桥电源电压。 E
式(1-3)表明,半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
(3)全桥: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1-4,当应变片初始值相等,变化量也相等时,其桥路输出
,RUo=E, (1-4)R
式中为电桥电源电压。 E
,R为电阻丝电阻相对变化; R
式(1-4)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。
(4) 比较:根据式(1-2)、(1-3)、(1-4)电桥的输出可以看出,在受力性质相同的情况下,单臂电桥电路的输出只有全桥电路输出的1/4,而且输出与应变片阻值变化率存在线性误差;半桥电路的输出为全桥电路输出的1/2。半桥电路和全桥电路输出与应变片阻值变化率成线性。
四、实验内容与步骤:
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。 R1、R3为梁上部电阻,R2、R4为梁下部电阻,当悬臂梁一端加重物时,R1、R3受拉力,R2、R4受压力。
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2
位器Rw3调到增益最大位置(顺时针转到底),调节电位器Rw4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)拔掉差动放大器输入端的短接线。
图1-2 单臂电桥面板接线图
图1-3单臂实验结果参考
3(按图1-2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。
加托盘。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,调节Rw1使电压表显示为零。
4(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,填入下表中单臂一列。
5. 保持差动放大电路不变,仿照步骤3,分别按图1-4,1-6将应变电阻连接成半桥和全桥电路,做半桥和全桥性能实验,并将实验数据
记录
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在下表中。
6(连接NI数据采集卡和转接板,将数据采集卡与电脑用数据线连接,开启实验台电源和数据采集卡开关,运行”measurement&automation”察看输入通道在转接板上的对应位置(AI0~68,AI1~33,GND~67)。GND接输出端地线,AI0接输出端Uo2。
图1-4 半桥面板接线图
图1-5半桥实验结果参考
图1-6 全桥面板接线图
图1-7全桥实验结果参考
五、实验
报告
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:
1(根据实验所得数据分别计算单臂、半桥、全桥系统灵敏度S,ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量),并与LabVIEW所得结果作对比(要求三个截图)。
实验数据记录表
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 重量/g
单臂
电压/mV 半桥
全桥
六、注意事项:
实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器,量程为1kg,最大超程量为120,。因此,加在传感器上的压力不应过大,以免造成应变传感器的损坏~