电桥性能实验.doc

直流电桥原理
在进行金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验之前，我们有必要先来介绍一下直流电桥的相关知识。电桥电路有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。下面具体讨论有关直流电路和与之相关的这几项指标。
一、 平衡条件
直流电桥的基本形式如图1-1所示。R1， R2，R3 ， R4 为电桥的桥臂电阻，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。
当RL ∞时，电桥的输出电压V0应为
V0=E()
当电桥平衡时，V0=0，由上式可得到R1R4=R2R3
或 （1-1）

图1-1
式（1-1）秤为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两桥臂阻值之比应相等，桥路相邻两臂阻值之比相等方可使流过负载电阻的电流为零。
二、 平衡状态
1.单臂直流电桥
所谓单臂就是电桥中一桥臂为电阻式传感器，且其电阻变化为△R，其它桥臂为阻值固定不变，这时电桥输出电压V0≠0（此时仍视电桥为开路状态），则不平衡电桥输出电压V0为

V0= (1-2)
设桥臂比n=，由于△R1《R1，分母中可忽略，输出电压便为

V"0=
这是理想情况，式（1-2）为实际输出电压，由此可求出电桥非线性误差。实际的非线性特性曲线与理想线性曲线的偏差秤为绝对非线性误差。则其相对线性误差r为：
r== = （1-3）

由此可见，非线性误差与电阻相对变化有关，当较大时，就不可忽略误差了。
下面来看电桥电压灵敏度SV 。在式（1-2）中，忽略分母中项，并且考虑到起始平衡条件，从式（1-2）可以得到
V0'≈ （1-4）
电桥灵敏度的定义为

SV = ≈ = （1-5）
当n=1时，可求得SV最大。也就是说，在电桥电压E确定后，当R1=R2，R3=R4 时，电桥电压灵敏度最高。此时可分别将式（1-2）、（1-3）、（1-4）、（1-5）化简为
V0= （1-6）
r = （1-7）
V0' ≈ （1-8）
SV = （1-9）
由上面四式可知，当电源电压E和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压，非线性误差，电压灵敏度也是定值，与各桥臂阻值无关。

2．差动直流电桥（半桥式）
若图1-1中支流电桥的相邻两臂为传感器，即R1和R2为传感器，并且其相应变化为△R1和 △R2，则该电桥输出电压V0≠0，当△R1=△R2，R1=R2，R3=R4 时，则得

V0=
上式表明，V0与成线性关系，比单臂电桥输出电压提高一倍，差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度SV为
SV =
比使用一只传感器提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用。

3.双差动直流电桥（全桥式）
若图1-1中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。若满足△R1=△R2=R△3=△R4，则输出电压和灵敏度为
V0=
SV = E
由此可知，全桥式直流电桥是单臂直流电桥的输出电压和灵敏度的4倍，是半桥式直流电桥的输出电压和灵敏度的2倍。

实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、 实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
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：
=Kε
式中为电阻丝电阻相对变化，K为 应变灵敏系数，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U01=EKε/4。
图1－1，图1－2是压力传感器的测量电路，由两个部分组成。前一部分是采用三个运放构成的仪表放大器，后面的放大器将仪表放大器的输出电压进一步放大。R28是电桥的调零电阻，R42是整个放大电路的调零电阻，R29，R40调整运放增益。仪表放大器因为输入阻抗高，共模抑制能力好而作为电桥的接口电路。其增益可用下式表示：
A＝（1+）

图1－1

图1－2

三、 需用器件与设备：
1. 应变式传感器实验台；
2. 应变式传感器；
3. 砝码；
4. 跳线；
5. 350Ω电阻；
6. 万用表（自备）。

四、实验步骤：
1. 根据图（2-1）所示，应变式传感器已经装在传感器试验台上。传感器中各应变片上的R1、R2、R3、R4接线颜色分别为黄色、蓝色、红色、白色，可用万用表测量同一种颜色的两端判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图2-1 应变式传感器安装示意图
2. 接入电源，拨通电源开关，将实验模块板调节增益电位器R29顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差动放大器的正、负输入端（电路板上的TEST1与TEST2）与地短接，输出端OUT与电路板上的IN1或IN2相连，调节电路板上调零电位器R42，输出的电压读数为零，关闭电源。（注意：当R29、R42的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）
3. 电路板上的R25、R26、R27接入350Ω电阻，将应变式传感器的其中一个应变片R1接入电路板上的R24，作为一个桥臂与电路板上的R25、R26、R27接成直流电桥。检查接线无误后，接通电源。调节电桥调零电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零。
4. 在托盘上放置一只砝码，读取电压数值，依次增加砝码和读取相应的电压值，直到1Kg砝码加完。记下实验结果填入表1-1中，关闭电源。
重量（g）

电压（mv）

5. 根据表1-1计算系统灵敏度S=（输出电压变化量与重量变化量之比）和非线性误差：δƒ1=△m/yF。S×100%式中△m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yF。S满量程输出平均值，此处为1Kg。

五、思考题
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。
实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验

一、 实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、 基本原理：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U02=EKε/2。测量电路同实验一。
三、需用器件与设备：同实验一。
四、实验步骤：
1. 传感器安装同实验一。做实验（一）步骤2，实验模板差动放大器调零。
2. 电路板上的R25、R27接入350Ω电阻，将应变式传感器的红色（或白色）线连接的应变片接入电路板上的R24，将黄色（或蓝色）线连接的应变片接入电路板上的R26，与电路板上的R25、R27接成直流电桥。检查接线无误后，接通电源。调节电桥调零电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零。注意R24应和R26受力状态相反，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。实验步骤3、4同实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S2=△U/△W，非线性误差δƒ2。若实验时无数值显示说明R24与R26为相同受力状态应变片，应更换一个应变片。

表1-2 半桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）

电压（mv）

五、思考题：
1.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。

实验三 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优点。
二、 基本原理：全桥测量电路中，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，应变片初始阻值：RQ=R2=R3=R4，其变化值△RQ=△R2=△R3=△R4时，其桥路输出电压U03=EKε。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。测量电路同实验一。
三、 需用器件与设备：同实验一。
四、 实验步骤：
1. 传感器安装同实验一。
2. 将应变式传感器的红色、白色线连接的应变片接入电路板上的R24，R27，将黄色、蓝色线连接的应变片接入电路板上的R25、R26，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。
表1-3 全桥电路输出电压与加负载重量值。
重量（g）

电压（mv）

五、 思考题：
1. 全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时即RQ=R2=R3=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以 （2）不可以。

实验四 直流全桥的应用——称重实验

一、 实验目的：了解应变传感器的应用及电路标定。
二、 基本原理：电子秤实验原理为实验三，全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（g）即成为一台原始电子秤。测量电路同实验一。
三、 需用器件于单元：
1. 应变式传感器实验台；
2. 应变式传感器；
3. 砝码；
4. 跳线。
四、 实验步骤：
1. 按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，接通电源，调节电桥平衡电位器R28，使电路板上的TEST1与TEST2之间输出的压降为零。
2. 应变式传感器的应变片接线同实验三；
3. 将1000g砝码置与传感器的托盘上，调节电位器R40（增益）与R29（增益即满量程调节）使输出电压为4V；
4. 拿去托盘上所有砝码，调节电位器R42（零位调节）使输出电压为零；
5. 参考《DRLab工程测试实验指导书》中的相关实验力传感器标定及称重实验。
6. 把砝码依次放在托盘上，填入下表1-4。
重量（g）

电压（mv）

6.根据上表，计算误差与非线性误差。