非平衡电桥1（实验指导）

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1、应变式测力传感器与非平衡电桥实验指导书［学习重点］1.了解电阻应变片的结构及工作原理2.学习非平衡电桥的计算方法及在传感器测最电路屮的应用3.了解电了秤的结构和工作原理［实验原理］1.应变式电阻传感器原理电阻应变片是一种能将试件上的应变转换为电阻变化的元件。电阻应变片主要分为金属电阻应变片和半导体应变片。金属电阻应变片有电阻丝栅应变片、箔式应变片和薄膜型应变片。三者工作原理相同，下而以金属丝电阻应变片为例说明其工作原理。图1电阻丝应变片结构示意图金属丝电阻应变片典型结构如图1所示，用一根具有高电阻系数的金属丝（廉铜或银珞合金等，宜径d=0.025mm左右）绕成栅形（敏感栅）粘

2、贴在绝缘的棊片和覆盖层Z间，市引出导线接于电路上。当金属丝电阻应变片在外力作用卜发牛机械变形时，其电阻值发纶变化，此现象称之为电阻应变效应。这也是电阻应变片工作的物理基础。在测试时，将应变片同粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表血上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从1佃使其电阻随Z发生变化，此电阻变化是与试件应变成比例的，这样就门J以反映出外界作用力的人小。导体的电阻值可以用下式计算:R如果导线轴线方向施加拉力或压力使之产生形变，其电阻值也会随之变化，这种现象称为应变电阻效应。将式（1）两边取对数，得In/?=lnp+InL-ln5等式两边微分则得dR_dpdL

3、dSRpLS对丁直径为d的圆形截而的电阻丝△Sa=2—Sd我们知道，当电阻丝沿轴向仲长时，直径将缩小，两者相对变形Z比称为材料的泊松系数屮(4)将（3）、（4）式代入（2）式中，可得——=（1+2“）一+上=1+2“+-^^—=K—RIpAZ.//丿II（5）式中《=1+2“+°学。式（5）就是应变效应的表达式，K称为应变片的灵敏系数。A///在材料力学中，称△///为应变，令£=△///,则（5）式成为A/?~R(6)灵敏系数K受两个因素的影响：一个是（1+2“），它是由电阻丝的几何尺寸改变而引起的，对于某种材料来说，它是常数；另-个是黔，它是电阻丝的电阻率随应变的改变所

4、引起的，对于大多数的电阻丝来说，其值也是常数，而且数值通常甚小，可以忽略不计。-•般来说K的数值多在1.7-3.6之间。1.非平衡电桥的工作原理及计算方法在现代测量技术屮常常需要将非电量（温度、力、压力、加速度、位移等）利用传感器转变成电量示再进行测量。由于这些信号通常很小，用一般的测量仪表很难肓接检测出来,通常把它转换成电压变化后再用电测仪器来进行•测定，电桥电路止是进行这种变换的一种最常用的方法，由于电桥的灵敏度和准确度都很高，并且具有很大的灵活性，传感器对以放在桥路四个臂中的任何一个臂内，工作臂的数目可以从一个到四个任选，这些都给提高精度改进性能创造了良好条件，因此电桥

5、线路在检测技术中应用非常广泛。在非电量电测技术中,帘采用非平衡电桥检测微小信号。非平衡电桥是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行测量的。测量时桥路平衡被破坏，桥路对角线有电压（电流）输出。它所测试的参数除静态外，更常用來测量动态対象。图2是输岀端接放大器、山直流电压U供电的直流（非平衡）电桥电路。第一桥臂接应变片，其它三个桥臂为固定电阻。当应变片未承受应变时，山于A/?.=0,因而第一桥臂电阻等于调节其它其它桥臂电阻使电桥处于平衡状态，即输出电压U°=A(RiRq—R2R3)=0,从而可以得到电桥初始平衡条件为当应变片承受应变时，应变片产生=KR^X的变化，电桥处于

6、不平衡状态，其输出电压为u0=uy4-u24=u.-u2——企u__UR]—A7?

7、++/?4M•心u(RHRJg+RJNR、他Z————U(7)一当+冬1+鱼<&&人尺3>假设在初始状态时有尺=念，R严R"及«R},则上式可以简化为1KR=4X(8)11△&、2由于(8)式存在非线性误差，在实际运用时常采用差动电桥以消除非线性误差。差动电桥分差动半桥和全桥两种型式，如图5(°)、(b)所示。差动电桥在图3(°)电路屮两个应变片一个受拉，一个受压，它们的阻值变化人小相等、符号相反，工作时将两个应变片接在电桥相邻臂内，如图3（°）中的（&+A/?］）和（/?2-朋2），这种桥

8、路结构称为半桥差动电路。而在图3（b）中粘贴四个工作应变片，两个受拉，两个受压，将两个变形符号相同的应变片接到电桥的相对臂内，符号不同的接到相邻臂內，称为全桥差动电路。在对称情况下，R严R?，尺3=心，再根据应变片电阻变化的特征，即A/?,=A/?2,可导出半桥差动电路的输出电压为匕半=6—4=扣学（9）同理，全桥差动电路的输出电压为A/?,匕全=U［-U1=U-^（10）比较式（9）、（10）和式（8）可知差动电桥不仅没有非线性误差，而且输出电压也比单一工作应变片时捉高，同时还能起温度补偿作用。从上面