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电桥性能实验
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。
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