金屬箔式應變片—電橋性能實驗

金屬箔式應變片—電橋性能實驗
一、 實驗目的
1、 了解金屬箔式應變片的應變效應，電橋工作原理、基本結構及應用。
2、 比較單臂、半橋、全橋輸出的靈敏度和非線性度，得出相應結論。
3、 了解溫度對應變測試系統(tǒng)的影響以及補償方法。
4、 掌握應變片在工程測試中的典型應用。
二、 基本原理
電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應。描述
電阻應變效應的關系式為：ΔR / R = Kε 式中：ΔR / R 為電阻絲電阻相對變化，K 為應變
靈敏系數(shù)，ε = ΔL / L 為電阻絲長度相對變化。同時，由于應變片敏感柵絲的溫度系數(shù)的影
響，以及應變柵線膨脹系數(shù)與被測試件的線膨脹系數(shù)不一致，產(chǎn)生附加應變，因此當溫度變
化時，在被測體受力狀態(tài)不變時，由于溫度影響，輸出會有變化。
金屬箔式應變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉換被測部位受
力狀態(tài)變化。電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀
態(tài)。對單臂電橋輸出電壓/ 4 01 U = EKε 。當應變片阻值和應變量相同時，半橋輸出電壓
/ 2 02 U = EKε 。全橋輸出電壓U = EKε 03 ，其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性
度和溫度誤差均得到改善。
三、 需用器件與單元
應變式傳感器實驗模板、應變式傳感器、砝碼（每只約20g）、數(shù)顯表、±15V 電源、
±4V 電源、萬用表。
四、 實驗方法與步驟
（一） 應變傳感器實驗模板電路調(diào)試及說明
1、實驗模板說明
實驗模板如圖1.1 所示，R1、R2、R3、R4 為應變片，沒有文字標記的5 個電阻符號下
面是空的，其中4 個組成電橋模型是為實驗者組成電橋方便而設，圖中的粗紅曲線表示連接
線。
根據(jù)圖1.1 應變式傳感器（電子秤傳感器）已裝于應變傳感器模板上。傳感器中4 片應
變片和加熱電阻已連接在實驗模板左上方的R1、R2、R3、R4 和加熱器上。傳感器左下角應
變片為R1；右下角為R4；右上角為R3、左上角為R2。當傳感器托盤支點受壓時，R1、R4 阻值減小，R2、R3阻值增加，可用四位半數(shù)顯萬用表進行測量判別。常態(tài)時應變片阻值為350Ω ，
加熱絲電阻值為50Ω 左右。
2、實驗模板差動放大器調(diào)零
方法為：①接入模板電源±15V(從主控箱引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開關，
將實驗模板增益調(diào)節(jié)電位器Rw3 順時針調(diào)節(jié)到大致中間位置，②將差放電路的正、負輸入
端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi 相連，調(diào)節(jié)實驗模板上調(diào)零電位
器Rw4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關打到2V 檔)，完畢關閉主控箱電源。

圖 1.1 應變傳感器實驗模板電路及單臂電橋接線圖

圖 1.2 應變傳感器測量電路
（二）應變片單臂電橋實驗
1、電橋接線及調(diào)零：參考圖1.1 接入傳感器，將應變式傳感器的其中一個應變片R1(即
模板左下方的R1)接入電橋作為一個橋臂，它與R5、R6、R7 接成直流電橋(R5、R6、R7 在模
塊內(nèi)已連接好)，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開
關，調(diào)節(jié)Rw1 使數(shù)顯表顯示為零。
2、單臂電橋實驗：在傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼并
讀取相應的數(shù)顯表數(shù)值，再依次減少砝碼重復做一次。記下實驗結果填入表1.1 畫出實驗曲
線。
表1.1 應變片單臂電橋實驗數(shù)據(jù)表

3、實驗結果分析：根據(jù)表1.1 計算系統(tǒng)靈敏度S = ΔU / ΔW （ΔU 輸出電壓變化量，
ΔW 重量變化量）和非線性誤差δ ， = Δ / ×100% FS δ m Y 式中Δm 為輸出值（多次測量時
為平均值）與擬合直線的最大偏差； FS Y 滿量程輸出平均值，此處為200g (或500g)，同時
在曲線上標注出回程誤差大小。實驗完畢，關閉電源。
（三）應變片半橋實驗
1、保持實驗步驟（二）的各旋鈕位置不變，根據(jù)圖1.3 接線，R1、R2 為實驗模板左方
的應變片，注意R2 應和R1 受力狀態(tài)相反，即橋路的鄰邊必須是傳感器中兩片受力方向相反
(一片受拉、一片受壓)的電阻應變片。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表指示為零。
注意保持放大器增益Rw3 不變。
2、應變片半橋實驗：同實驗（二）第2 步驟，將實驗數(shù)據(jù)記入表1.2。

圖1.3 應變傳感器半橋實驗接線圖

3、實驗要求：畫出實驗曲線，計算靈敏度S = ΔU / ΔW 2 ,非線性誤差δ 、回程誤差大
小。實驗完畢，關閉電源。

（四）應變片全橋實驗
1、保持實驗步驟（三）的各旋鈕位置不變，根據(jù)圖1.4 接線，將R1、R2、R3、R4 應變
片接成全橋，注意受力狀態(tài)不要接錯，調(diào)節(jié)零位旋鈕Rw1，使電壓表指示為零，保持放大器
增益Rw3 不變，逐一加上砝碼，讀取相應的數(shù)顯表數(shù)值，再依次減少砝碼重復做一次。將
實驗結果填入表1.3。
2、應變片全橋實驗：同實驗（二）第2 步驟，將實驗數(shù)據(jù)記入表1.3。
表1.3 應變片全橋實驗數(shù)據(jù)表

圖1.4 應變傳感器全橋實驗接線圖

（五）金屬箔式應變片的溫度影響實驗
1、保持實驗步驟（四）實驗結果。
2、將200g 砝碼加于砝碼盤上，在數(shù)顯表上讀取某一數(shù)值U01。
3、將主控箱上+5V 直流穩(wěn)壓電源接于實驗模板的加熱器插孔，數(shù)分鐘后待數(shù)顯電壓表
顯示基本穩(wěn)定后，記下讀數(shù)Uot，Uot-Uo1 即為溫度變化對全橋測量的影響。計算這一溫度
變化產(chǎn)生的相對誤差：

實驗完畢，關閉電源。
五、思考題
1、半橋測量時，二片不同受力狀態(tài)的應變片接入電橋時應放在（1）對邊、（2）鄰邊，
為什么？
2、比較單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進行分析比較，闡述
理由。
3、金屬箔式應變片溫度影響有哪些消除方法？
4、 有興趣的同學選做：根據(jù)實驗結果，按端值法求出擬合方程，并計算出各加載點對
應的理論輸出值Usci （對單臂橋、半橋和全橋分別進行計算）。
六、考核方式
課堂表現(xiàn)10%，實際操作30%，實驗報告60%。