金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验

实验十一金属箔式应变片：单臂，半桥，全桥比较实验目的比较单臂，半桥，全桥的性能及相互之间的关系，了解其特点。

基本原理不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻臂，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U0=EKa/2，当四片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U0=EKa，E为电桥电源电压。

所需单元和部件直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源有关旋钮的初始位置直流稳压电源置于2V档，F/V表置于2V档，差动放大器增益置于最大实验步骤（1）将差动放大器调零后，关闭主、副电源。

（2）接线，R4=Rx为工作片，r及W1为电桥平衡网络。

（3）调整测微头是双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源置于4V档。

选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器W1，是表头显示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。

（4）旋转测微头，使梁移动，每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。

位移（mm）11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0电压（V）0.000 0.011 0.020 0.032 0.043 0.055 0.067 0.080 （5）保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一片应变片即取二片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F/V表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表位移（mm）11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0电压（V）0.000 0.018 0.042 0.065 0.089 0.114 0.137 0.162 （6）保持放大器增益不变，将R1、R2电阻换为另两片受力应变片，组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出，接成一个直流全桥。

传感器实验-——-金属箔式应变片:单臂、半桥、全桥比较【实验目得】了解金属箔式应变片，单臂单桥得工作原理与工作情况。

验证单臂、半桥、全桥得性能及相互之间关系。

【所需单元及部件】直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、电压/频率表、电源，重物加在短小得圆盘上。

【旋钮初始位置】直流稳压电源打到±2Ｖ挡,电压/频率表打到2V挡,差动放大增益最大.【应变片得工作原理】当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化,这种现象称为金属得电阻应变效应。

设有一根长度为Ｌ、截面积为S、电阻率为ρ得金属丝，在未受力时,原始电阻为(１－1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时,将伸长ΔL，横截面积相应减小ΔS,电阻率因晶格变化等因素得影响而改变Δρ，故引起电阻值变化ΔＲ。

对式(1-1)全微分,并用相对变化量来表示，则有:(1-2)【测量电路】应变片测量应变就是通过敏感栅得电阻相对变化而得到得。

通常金属电阻应变片灵敏度系数K 很小,机械应变一般在1０×１0－6～３000×1０－６之间，可见,电阻相对变化就是很小得。

例如,某传感器弹性元件在额定载荷下产生应变-6，应变片得电阻值为,灵敏度系数Ｋ=2,则电阻得相对变化量为1０—6=0、００２，电阻变化率只有0、２％。

这样小得电阻变化，用一般测量电阻得仪表很难直接测出来,必须用专门得电路来测量这种微弱得电阻变化。

最常用得电路为电桥电路。

（a)单臂(b)半桥(ｃ）全桥图1—1 应变电桥直流电桥得电压输出当电桥输出端接有放大器时,由于放大器得输入阻抗很高,所以,可以认为电桥得负载电阻为无穷大，这时电桥以电压得形式输出。

输出电压即为电桥输出端得开路电压,其表达式为(1-3)设电桥为单臂工作状态，即为应变片,其余桥臂均为固定电阻。

当感受应变产生电阻增量时,由初始平衡条件得,代入式(1—3)，则电桥由于产生不平衡引起得输出电压为（1－４）对于输出对称电桥，此时,Ｒ´，当臂得电阻产生变化，根据式（1-4)可得到输出电压为(1—5)对于电源电桥，，´,当R1臂产生电阻增量时，由式(１-４）得(１-６)对于等臂电桥，当得电阻增量时,由式(1—10)可得输出电压为(１—7)由上面三种结果可以瞧出，当桥臂应变片得电阻发生变化时,电桥得输出电压也随着变化。

实验报告实验项目名称：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较同组人试验时间年月日，星期，节实验室K2，508传感器实验室指导教师一、实验目的1、了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。

2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。

二、实验原理电阻丝在外来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：式中为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，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。

金属箔式应变片是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003-0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。

金属箔式应变的电阻变化范围很小，用欧姆表测量其阻值的变化十分困难，所以我们一般会用电桥来测试金属箔式应变的变化，将电阻的变化量转换成电压的变化量。

图6.1 应变电桥电路由于电压源电桥的测试精度受电源电压波动影响，测量灵敏度也随之变化，所以本实验是有恒流源供电:,（2-1）图6.1（a）为单臂电桥电路，R1为应变片电阻，R2、R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。

图6.1（b）为半桥电桥电路，R1、R2为应变片电阻，R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。

图6.1（c）为全桥电桥电路，R1、R2、R3、R4为应变片电阻，,,代入式（2-1）。

三、所需单元及部件STIM-01模块、STIM-05模块;±15V电源、万用表;电子连线若干四、实验步骤一、单臂电桥性能实验1、按图6.2连接好各模块，接上模块电源。

2、称重盘上不放任何东西，使STIM-01模块差动放大器上的增益调节到最大，调节STIM-05模块上的电位调节旋钮，使STIM-01模块差分放大输出OUT1接近于0V（用万用表测得）。

一、简介一、FB716-II 型物理设计性（传感器）实验装置1．传感器实验台部分：装有双平行振动梁（包括应变片上下各2片、梁自由端的磁钢）、双平行梁测微头及支架、振动盘（装有磁钢、用于固定霍尔传感器的二个半圆磁钢、差动变压器的可动芯子），安装时可参考第三部分结构图片及安装说明。

2．九孔实验板接口平台部分：九孔实验板作为开放式和设计性实验的一个桥梁（平台）； 3．JK-20型频率振荡器部分：含音频振荡器和低频振荡器； 4．JK-19型直流恒压电源部分：提供实验时所必须的电源；5．处理电路模块部分：电桥模块（提供元件和参考电路，由学生自行搭建）、差动放大器、移相器等模块组成。

二、主要技术参数、性能及说明： 1．FB716-II 传感器实验台部分：双平行振动梁的自由端及振动盘装有磁钢，通过测微头或激振线圈接入低频振荡器0V 可做静态或动态测量。

应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。

传感器：（1）差动变压器：量程：mm 5≥；直流电阻：ΩΩ10~5；由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。

（2）应变式传感器：金属箔式应变片阻值：350Ω；应变系数：2 。

2．信号处理及变换（有电源极性接反保护）：（1）电桥模块：提供相关参数的器件，由学生根据实验需要自行搭建。

（2）差动放大器：通频带kHz 10~0可接成同相、反相、差动结构，增益为100~1倍的直流放大器。

3．振动梁、测微头：双平行式悬臂梁一副（装有应变片与振动盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。

4．19JK −型直流恒压电源部分：直流V 15±，主要提供给各芯片电源：V 6 ,V 4 ,V 2±±±分三档输出，提供给实验时的直流激励源； V 12~0：A 1ax Im =作为电机电源或作其它电源。

三、附录附录部分主要包括实验时的结构安装图示和各模块的电气连接图示说明，以及实验中的相关参考信息。

传感器与检测技术实验报告学院专业班级学号姓名实验目录实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 (3)实验二电容式传感器的位移实验 (8)实验三直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 (9)实验四磁电式转速传感器测速实验 (11)实验五压电式传感器测振动实验 (12)实验六计算修正法热电偶测温电路 (13)实验一金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂、半桥、全桥工作原理和性能比较。

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。

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 Uo1= EKε/4；对于半桥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UO2＝EKε／2；对于全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。

当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。

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。

应变片电桥性能试验原理图如下图所示：三、需用器件与单元：主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4位数显万用表（自备）。

图1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图四、实验步骤：单臂：应变传感器实验模板说明：实验模板中的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，图中的粗黑曲线表示连接线。

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。

所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁、测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。

旋钮初始位置：2V挡，F/V表打到2V挡，差动放大增益最大。

实验步骤：1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。

上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。

2．将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。

将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。

根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。

R x= R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V挡，F／V表置20V挡。

调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V挡，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。

图１3．将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平行梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。

4．往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移，记下F／V表显示的值。

建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入下表：电桥平衡网络差动放大器直流电压表应F／V表显示的电压相应变化）。

5．实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。

注意事项：1．电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。

2．做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。

实验报告实验项目名称：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较同组人试验时间年月日，星期，节实验室K2，508传感器实验室指导教师一、实验目的1、了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。

2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。

二、实验原理电阻丝在外来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：式中为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，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。

金属箔式应变片是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003-0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。

金属箔式应变的电阻变化范围很小，用欧姆表测量其阻值的变化十分困难，所以我们一般会用电桥来测试金属箔式应变的变化，将电阻的变化量转换成电压的变化量。

图6.1 应变电桥电路由于电压源电桥的测试精度受电源电压波动影响，测量灵敏度也随之变化，所以本实验是有恒流源供电:,（2-1）图6.1（a）为单臂电桥电路，R1为应变片电阻，R2、R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。

图6.1（b）为半桥电桥电路，R1、R2为应变片电阻，R3、R4为固定电阻,,代入式（2-1）。

图6.1（c）为全桥电桥电路，R1、R2、R3、R4为应变片电阻，,,代入式（2-1）。

三、所需单元及部件STIM-01模块、STIM-05模块;±15V电源、万用表;电子连线若干四、实验步骤一、单臂电桥性能实验1、按图6.2连接好各模块，接上模块电源。

2、称重盘上不放任何东西，使STIM-01模块差动放大器上的增益调节到最大，调节STIM-05模块上的电位调节旋钮，使STIM-01模块差分放大输出OUT1接近于0V（用万用表测得）。

金属箔式应变片-单臂,半桥,全桥比较实验报告实验目的
本实验旨在比较单臂、半桥和全桥金属箔式应变片三种桥式应变测量方式的各项性能
指标，以确定实验系统采用哪种应变电阻测量方式更为合适。

实验原理
金属箔式应变片是一种通过钢带和金属铋素材以及其他电子组件构成的应变测量系统，它以电阻变化反映外力作用于它所处位置上应变参数比如应力、压力、位移等的变化。

桥
式应变测量系统主要把箔式传感器通过桥式电路连接，采用桥式方式结成形成的放大系统，以及与之相配的信号处理装置，能够检测更小的微小应变，从而实现压力、位移等多变量
的实时测量。

实验装置
在实验中，我们使用了一台微工控机，一台注塑机（模具温度可调），10只单臂、半桥和全桥金属箔式应变片，三种不同的应变测量系统，以及一套由计算机驱动的数据采集
系统。

实验方法
1.首先，我们调节注塑机的温度到所测试的温度等级，保持它处于恒定的温度状态。

2.然后，给定三种桥式应变片金属箔所处的表面位置，将10只应变片分别安装在相
同位置，连接到同一个微控机上。

3.在测试温度范围内，做240次应力波动，每次应力值为奇数，持续时间为一小时。

4.计算一小时内每只应变片的平均应变值，并记录三种应变测量方式的误差。

5.回算比较三种金属箔式应变片的应变特性，最终选出最佳的应变测量方式。

实验结果
在实验中，通过比较计算得出的结果，可以看到半桥式箔式应变片的平均应变值小于
单桥式和全桥式，误差也最小，使用效果最好。

因此在实际系统中采用半桥式的应变测量
更为合适，能够取得更高的测量精度和可靠性。

欢迎共阅应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验应变片基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应(a) 丝式应变片? ????????????????????????????????????? ?(b) 箔式应变片应变片结构图（a）单臂（b）半桥（c）全桥应变片测量电路在差动放大器增益相同的情况下：半桥电压表读数是单臂的两倍，全桥电压表读数是单臂的四倍。

因此在整个实验过程中都要保持放大器增益不变。

单臂：在应变片测量原理图中R1、R2、R3为固定电阻，RX为金属箔式应变片。

半桥：在应变片测量原理图中R1、R2、为固定电阻，R3、RX为金属箔式应变片。

R3与RX符号相反。

全桥：在应变片测量原理图中R1、R2、R3、RX全为金属箔式应变片。

全桥实验时图中四个电阻均为金属箔式应变片，接线时两相邻的应变片的位置符号相反，对应位置的应变片符号相同。

应变片测量原理图实验步骤：一、调零：1、按图接线差动放大器调零接线示意图欢迎共阅2、增益电位器RW3顺时针轾轻转到底再逆时针回调1圈，再调RW4使电压表在200mv时显示为零。

二、单臂实验：1、按图接线后用RW1调零。

2、把10个20克的法码放到托盘上调增益RW3使电压表显示为50mv。

3、把法码全取下再依放上读取数据填于表中。

4、关闭电源，取下法码。

实验一金属箔式应变片——单臂、半桥、全桥性能实验一、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。

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。

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，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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。

全桥测量电路中其桥路输出电压U03=KEε。

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。

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、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。

四、实验步骤：1、根据图(1-1)应变式传感器已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图1-1 应变式传感安装示意图2、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，将实验模板调节增益电位器R w3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端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)。

关闭主控箱电源。

3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好)，接好电桥调零电位器R w1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图1-2所示。