大物仿真实验报告 - 副本

一、 实验目的

1.熟悉仪器内各部件的配置、功能和使用方法

2.观察传感器结构和应变片位置，熟悉仪器上的桥线

3.根据图4的电路图连接电路，测量传感器单臂桥V-W曲线，并求灵敏度S=?

V?W。测重物W与电压V之间的关系曲线，在增加重量（上升曲线）和减少重量（下降曲线）时测量一条。分别找出上升曲线和下降曲线的灵敏度，并找出灵敏度S的平均值。

4.测量传感器半桥和全桥的灵敏度，并与单臂电桥进行比较 。

二、 实验原理

1. 物理基础

如果沿导线轴方向施加张力或压力，其电阻也会发生变化。这种现象称为应变电阻效应，如图1所示。

图1金属丝受力时几何尺寸变化图

k0=(1 2ν) dρρε

在弹性范围内，一般金属材料的泊松比通常为0.25~0.4之间，因此1 2ν在1.5~1.在8之间，其电阻率略有变化。一般金属材料制成的应变敏感元件的灵敏系数值k0

大约是2，但其具体尺寸需要通过实验来确定。

2. 金属材料电阻应变片的结构

电阻应变片是一种常用的电阻应变敏感元件，其结构如右图2所示，由1-敏感栅、2-引线、3-粘合剂、4-盖和5-基底组成。敏感栅的厚度为0.003~0.010mm用金属丝或金属丝制成的金属箔。

图2 应变片的结构示意图

3. 电阻应变传感器转换电路

应变片将应变量ε转换为电阻相对变化RR，为了测量?R

，通常使用各种电桥线路。根据连接到桥臂的工作应变片的位置和数量，电桥电路可分为图3所示的情况：

图3 电桥电路

众所周知，电桥平衡的条件是：电桥相对于两臂电阻的乘积相等或相邻两臂电阻比相等，即

R1R4=R2R3或R1R2=R3R4 (5)

1) 单臂电桥

如果只有四臂电桥，R1.工作应变片由于应变而产生相应的电阻变化

?R1，而

R2、R3和R4为固定电阻，称为单臂电桥，如图3所示-b所示。U0为电桥输出电压。电桥在初始状态下处于平衡状态，U0=0。当有

?R1.电桥输出电压U0为：

U0=

U(R4R3)(?R1R1)

(6)

1 (RR) (?RR)1 RR21143电桥电压灵敏度定义为：

kμ=U0(?R1R1) (7)

在式(6)中设置桥臂比

n=R2R1.由于电桥的初始平衡R1R2=R3R在分母中略去

?R1R1，可得

U0=

nU

(1 n)

2

??R1R1 (8)

因此，当单臂为工作应变片时，电桥的电压灵敏度为：

kμ=nU(1 n) (9)

2) 半桥电桥

考虑到单臂电桥中U值的选择受到应变片功耗的限制，选择n值可以获得最高灵敏度

2

kμ

，由

dkμdn=0

可得，当n=1时，即：R1=R2，R3=R4时，

kμ

是最大的，此时

U0=U?R14R1 (10)

因此

kμ=U/4 (11)

考虑到(8)公式的求出U0时忽略了分母中的分母R1R一是近似值，实际值有非线性误差。为了减少和克服非线性误差，常用的方法是使用差动电桥，如图3所示-c如图所示，在试件上安装两个工作应变片，一个是拉力，另一个是压力，然后连接到电桥的相邻臂，此时电桥的输出电压U0为：

?R3?R1 ?R1

U0=U?-? (12)

?R1 ?R1 R2-?R2R3 R4?

当平衡电桥开始时R1=R2=R3=R4，因此

?R1=?R2，则U0=U??R12R1

kμ=U/2 (13)

输出电压无非线性误差，电桥灵敏度是单臂电桥的两倍，具有温度补偿作用。

3) 全桥电桥

为了进一步提高桥梁的灵敏度和温度补偿，多个应变片经常放置在桥臂中。电桥可采用四臂电桥（或全桥），如图3所示-d所示。

当平衡电桥开始时R1=R2=R3=R4.忽略高阶微量，则忽略U0=U??R1R1。因此

kμ=U (14)

此时灵敏度最高，输出和

?R1R

1成线性关系。

在实际测试中，由于电阻应变片工作，其电阻变化通常很小，电桥相应的输出电压也很小。为了促进仪器的检测或记录，还必须放大电桥的输出电压。本实验中使用的放大器为差分放大器，实际电路图如图4所示：

图4 实验电桥电路

三、 仪器设备

SET-N型传感器实验仪；砝码；砝码盒。

四、测量内容

1. 单臂电桥测电桥的灵敏度

单臂电桥的灵敏度(mV/g)=0.568 2. 半桥电桥测电桥的灵敏度

半桥电桥的灵敏度(mV/g)=1.14

全桥电桥的灵敏度(mV/g)=2.28

五、 数据处理

1. 作单臂电桥V-W曲线

2.计算电桥的灵敏度

根据所得数据表S=ΔU/ΔW计算电桥灵敏度：

单臂电桥的灵敏度(上升和下降曲线相同)(mV/g)=0.568； 半桥电桥的灵敏度(mV/g)=1.14； 全桥电桥的灵敏度(mV/g)=2.28;

六、误差分析

(1)单臂电桥的输出电压U0并不是与?R1/R严格的线性关系，有非线性误差=

?R1/R1

；全桥电路输出电压U0不是与?R1/R1成严

1 n ?R1/R1

网格的线性关系程中，网格的线性关系忽略了高阶微量。

(2)仪器灵敏度高，线路松动导致电压不稳定，读数估读，造成一定误差。

（3）添加重量后，由于滞后效应，电压显示值在突变后会发生轻微变化。读数稳定后应阅读，否则读数不准确。

七、思考题

1.仔细观察单臂、半桥、全桥电路灵敏度与应变片数量的关系，推断三臂电路的电桥灵敏度，并通过实验验证。

答：观察到的关系是：应变片的数量与灵敏度与单臂电桥的比值成正比，因此推断三臂电路的电桥灵敏度是单臂电桥的3倍，即三臂电路的电桥灵敏度约为1.704，经实验验证，推想正确。

2.测量半桥时，当两个不同受力状态的应变片接入电桥时，应放置在对侧或邻侧。为什么？

答:应该放在邻里。因为在邻里，中点的电位变化可以和其他参考点进行比较。如果不在邻里，两个应变片发生变化时，相应电阻的电位差可能为0。

3.在许多物理实验中(如拉伸法测量钢丝杨氏模量、金属热膨胀系数测量和本实验)加载(或加热)和减载(冷却)对应物理量的变化有滞后作用。试着总结它们的共同点，并提出解决方案。

答:共同点:金属的变形和温度的变化不是瞬间完成的，有一定的滞后时间，所以测量值和真实值会有一定的误差。

解决方案：a.在实验中，每个变形或温度变化应尽可能小，以缩短滞后时间。

b.改变实验条件后，读取数据需要一段时间。