金属箔式应变片—电桥性能实验

金属箔式应变片—电桥性能实验
一、 实验目的
1、 了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理、基本结构及应用。
2、 比较单臂、半桥、全桥输出的灵敏度和非线性度，得出相应结论。
3、 了解温度对应变测试系统的影响以及补偿方法。
4、 掌握应变片在工程测试中的典型应用。
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。同时，由于应变片敏感栅丝的温度系数的影
响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变，因此当温度变
化时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。
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，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/ 4 01 U = EKε 。当应变片阻值和应变量相同时，半桥输出电压
/ 2 02 U = EKε 。全桥输出电压U = EKε 03 ，其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性
度和温度误差均得到改善。
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。
四、 实验方法与步骤
（一） 应变传感器实验模板电路调试及说明
1、实验模板说明
实验模板如图1.1 所示，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，图中的粗红曲线表示连接
线。
根据图1.1 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R4；右上角为R3、左上角为R2。当传感器托盘支点受压时，R1、R4 阻值减小，R2、R3阻值增加，可用四位半数显万用表进行测量判别。常态时应变片阻值为350Ω ，
加热丝电阻值为50Ω 左右。
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将差放电路的正、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。

图 1.1 应变传感器实验模板电路及单臂电桥接线图

图 1.2 应变传感器测量电路
（二）应变片单臂电桥实验
1、电桥接线及调零：参考图1.1 接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1(即
模板左下方的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，调节Rw1 使数显表显示为零。
2、单臂电桥实验：在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并
读取相应的数显表数值，再依次减少砝码重复做一次。记下实验结果填入表1.1 画出实验曲
线。
表1.1 应变片单臂电桥实验数据表

3、实验结果分析：根据表1.1 计算系统灵敏度S = ΔU / ΔW （ΔU 输出电压变化量，
ΔW 重量变化量）和非线性误差δ ， = Δ / ×100% FS δ m Y 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； FS Y 满量程输出平均值，此处为200g (或500g)，同时
在曲线上标注出回程误差大小。实验完毕，关闭电源。
（三）应变片半桥实验
1、保持实验步骤（二）的各旋钮位置不变，根据图1.3 接线，R1、R2 为实验模板左方
的应变片，注意R2 应和R1 受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反
(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源±4V，调节Rw1，使数显表指示为零。
注意保持放大器增益Rw3 不变。
2、应变片半桥实验：同实验（二）第2 步骤，将实验数据记入表1.2。

图1.3 应变传感器半桥实验接线图

3、实验要求：画出实验曲线，计算灵敏度S = ΔU / ΔW 2 ,非线性误差δ 、回程误差大
小。实验完毕，关闭电源。

（四）应变片全桥实验
1、保持实验步骤（三）的各旋钮位置不变，根据图1.4 接线，将R1、R2、R3、R4 应变
片接成全桥，注意受力状态不要接错，调节零位旋钮Rw1，使电压表指示为零，保持放大器
增益Rw3 不变，逐一加上砝码，读取相应的数显表数值，再依次减少砝码重复做一次。将
实验结果填入表1.3。
2、应变片全桥实验：同实验（二）第2 步骤，将实验数据记入表1.3。
表1.3 应变片全桥实验数据表

图1.4 应变传感器全桥实验接线图

（五）金属箔式应变片的温度影响实验
1、保持实验步骤（四）实验结果。
2、将200g 砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一数值U01。
3、将主控箱上+5V 直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔，数分钟后待数显电压表
显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1 即为温度变化对全桥测量的影响。计算这一温度
变化产生的相对误差：

实验完毕，关闭电源。
五、思考题
1、半桥测量时，二片不同受力状态的应变片接入电桥时应放在（1）对边、（2）邻边，
为什么？
2、比较单臂、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。
3、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？
4、 有兴趣的同学选做：根据实验结果，按端值法求出拟合方程，并计算出各加载点对
应的理论输出值Usci （对单臂桥、半桥和全桥分别进行计算）。
六、考核方式
课堂表现10%，实际操作30%，实验报告60%。