實驗一專案名稱： 金屬箔式應變片——單臂電橋效能實驗
一、 實驗目的
了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和效能。
二、 基本原理
金屬絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值會發生變化，這就是金屬的電阻應變效應。金屬的電阻表示式為：
1） 當金屬電阻絲受到軸向拉力f作用時，將伸長 ，橫截面積相應減小 ，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變 ，故引起電阻值變化 。對式（1）全微分，並用相對變化量來表示，則有：
2） 式中的為電阻絲的軸向應變，用表示，常用單位 （1 =1× ）。若徑向應變為 ，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮的關係用泊松比表示為 ，因為 =2（ ），則（2）式可以寫成：
（3）式（3）為「應變效應」的表示式。 稱金屬電阻的靈敏係數，從式（3）可見， 受兩個因素影響，乙個是（1+ ），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另乙個是 ，是材料的電阻率隨應變引起的（稱「壓阻效應」）。對於金屬材料而言，以前者為主，則 ，對半導體， 值主要是由電阻率相對變化所決定。
實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與軸向應變成比例。通常金屬絲的靈敏係數 =2左右。
用應變片測量受力時，將應變片貼上於被測物件表面上。在外力作用下，被測物件表面產生微小機械變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發生相應變化。通過轉換電路轉換為相應的電壓或電流的變化，根據（3）式，可以得到被測物件的應變值 ，而根據應力應變關係：
4）式中 σ——測試的應力；
e——材料彈性模量。
可以測得應力值σ。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，因此可以用應變片測量上述各量，從而做成各種應變式感測器。電阻應變片可分為金屬絲式應變片，金屬箔式應變片，金屬薄膜應變片。
三、 需用器件與單元
感測器實驗箱（一）中應變式感測器實驗單元、砝碼、智慧型直流電壓表（或虛擬儀表中直流電壓表）、±15v電源、±5v電源，感測器調理電路掛件。
四、實驗內容與步驟
1．應變片的安裝位置如圖1-1所示，應變式感測器已裝在感測器實驗箱（一）上，感測器中各應變片已接入模板的左上方的r1、r2、r3、r4，可用萬用表測量r1=r2=r3=r4=350ω。
圖1-1 應變式感測器安裝示意圖
2．把直流穩壓電源接入「感測器調理電路」實驗掛箱，檢查無誤後，開啟實驗台面板上的直流穩壓電源開關，調節rw3使之大致位於中間位置（rw3為10圈電位器），再進行差動放大器調零，方法為：將差動放大器的正、負輸入端與地短接，輸出端uo2接直流電壓表，調節實驗模板上調零電位器rw4，使直流電壓表顯示為零，關閉直流穩壓電源開關。（注意：
當rw3的位置一旦確定，就不能改變。
圖1-2 應變式感測器單臂電橋實驗接線圖
3．按圖1-2將應變式感測器的其中乙個應變片r1（即模板左上方的r1）接入電橋作為乙個橋臂與r5、r6、r7接成直流電橋，（r5、r6、r7模組內已接好），接好電橋調零電位器rw1，接上橋路電源±5v，如圖1-2所示。檢查接線無誤後，合上直流穩壓電源開關，調節rw1，使直流電壓表顯示為零。
4．在砝碼盤上放置乙隻砝碼，待直流電壓表數值顯示穩定後，讀取數顯值，以後每次增加乙個砝碼並讀取相應的測量值，直到200g砝碼加完，記下實驗結果填入表1-1，關閉電源。
表1-1單臂電橋輸出電壓與所加負載重量值
重量(g) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
電壓(mv) 4 8 14 19 23 29 33 38 42 47
5. 根據表1-1計算系統靈敏度 （ 輸出電壓的變化量， 重量變化量）和非線性誤差δf1=δm/yfs ×100％ 式中 （多次測量時為平均值）為輸出值與擬合直線的最大偏差：yfs 滿量程輸出平均值,此處為200g。
解：s=200/47=4.225 δf1=δm/yfs ×100％=2/200×100％=1％
五、思考題
1．單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可以。
答：應選用正應變片。
六、實驗報告要求
1．記錄實驗資料，並繪製出單臂電橋時感測器的特性曲線。
2．從理論上分析產生非線性誤差的原因。
答：產生非線性誤差的原因：電阻變化率△r/r不可能完全成線性增加。
實驗一專案名稱： 金屬箔式應變片——單臂電橋效能實驗
四、 實驗目的
了解金屬箔式應變片的應變效應，單臂電橋工作原理和效能。
五、 基本原理
金屬絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值會發生變化，這就是金屬的電阻應變效應。金屬的電阻表示式為：
1） 當金屬電阻絲受到軸向拉力f作用時，將伸長 ，橫截面積相應減小 ，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變 ，故引起電阻值變化 。對式（1）全微分，並用相對變化量來表示，則有：
2） 式中的為電阻絲的軸向應變，用表示，常用單位 （1 =1× ）。若徑向應變為 ，電阻絲的縱向伸長和橫向收縮的關係用泊松比表示為 ，因為 =2（ ），則（2）式可以寫成：
（3）式（3）為「應變效應」的表示式。 稱金屬電阻的靈敏係數，從式（3）可見， 受兩個因素影響，乙個是（1+ ），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另乙個是 ，是材料的電阻率隨應變引起的（稱「壓阻效應」）。對於金屬材料而言，以前者為主，則 ，對半導體， 值主要是由電阻率相對變化所決定。
實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內，電阻相對變化與軸向應變成比例。通常金屬絲的靈敏係數 =2左右。
用應變片測量受力時，將應變片貼上於被測物件表面上。在外力作用下，被測物件表面產生微小機械變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發生相應變化。通過轉換電路轉換為相應的電壓或電流的變化，根據（3）式，可以得到被測物件的應變值 ，而根據應力應變關係：
4）式中 σ——測試的應力；
e——材料彈性模量。
可以測得應力值σ。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉換為應變，因此可以用應變片測量上述各量，從而做成各種應變式感測器。電阻應變片可分為金屬絲式應變片，金屬箔式應變片，金屬薄膜應變片。
六、 需用器件與單元
感測器實驗箱（一）中應變式感測器實驗單元、砝碼、智慧型直流電壓表（或虛擬儀表中直流電壓表）、±15v電源、±5v電源，感測器調理電路掛件。
四、實驗內容與步驟
1．應變片的安裝位置如圖1-1所示，應變式感測器已裝在感測器實驗箱（一）上，感測器中各應變片已接入模板的左上方的r1、r2、r3、r4，可用萬用表測量r1=r2=r3=r4=350ω。
圖1-1 應變式感測器安裝示意圖
2．把直流穩壓電源接入「感測器調理電路」實驗掛箱，檢查無誤後，開啟實驗台面板上的直流穩壓電源開關，調節rw3使之大致位於中間位置（rw3為10圈電位器），再進行差動放大器調零，方法為：將差動放大器的正、負輸入端與地短接，輸出端uo2接直流電壓表，調節實驗模板上調零電位器rw4，使直流電壓表顯示為零，關閉直流穩壓電源開關。（注意：
當rw3的位置一旦確定，就不能改變。）
圖1-2 應變式感測器單臂電橋實驗接線圖
3．按圖1-2將應變式感測器的其中乙個應變片r1（即模板左上方的r1）接入電橋作為乙個橋臂與r5、r6、r7接成直流電橋，（r5、r6、r7模組內已接好），接好電橋調零電位器rw1，接上橋路電源±5v，如圖1-2所示。檢查接線無誤後，合上直流穩壓電源開關，調節rw1，使直流電壓表顯示為零。
4．在砝碼盤上放置乙隻砝碼，待直流電壓表數值顯示穩定後，讀取數顯值，以後每次增加乙個砝碼並讀取相應的測量值，直到200g砝碼加完，記下實驗結果填入表1-1，關閉電源。
五、思考題
1．單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）應變片（3）正、負應變片均可以。
答：應選用正應變片。
一、實驗目的
了解全橋測量電路的原理及優點。
二、基本原理
全橋測量電路中，將受力性質相同的兩個應變片接入電橋對邊，當應變片初始阻值：r1＝r2＝r3＝r4，其變化值δr1＝δr2＝δr3＝δr4時，其橋路輸出電壓u03＝ 。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到明顯改善。
三、需用器件和單元
感測器實驗箱（一）中應變式感測器實驗單元，感測器調理電路掛件、砝碼、智慧型直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、±15v電源、±5v電源。
四、實驗內容與步驟
1．根據圖3-1接線，實驗方法與實驗二相同。將實驗結果填入表3-1；進行靈敏度和非線性誤差計算。
表3-1全橋輸出電壓與加負載重量值
重量（g） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
電壓（mv） 16 31 47 63 79 94 110 126 142 158
全橋時感測器的特性曲線
圖3-1 應變式感測器全橋實驗接線圖
五、實驗注意事項
1．不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞感測器。
2．電橋的電壓為±5v，絕不可錯接成±15v。
六、思考題
1．全橋測量中，當兩組對邊（r1、r3為對邊）值r相同時，即r1＝r3，r2＝r4，而r1≠r2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。
圖3-2 應變式感測器受拉時感測器周面展開圖
答：不可以。
2．某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如何利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。
答：將這兩組應變片分別按照兩個不同的方向貼在棒材上面就可以了，然侯利用不同的兩組測量值就可以組成乙個全橋電路，進而獲得測量結果，無需再引入外界電阻。
實驗二專案名稱： 直流全橋的應用——電子秤實驗
一、實驗目的
了解應變直流全橋的應用及電路的標定。
二、基本原理
電子秤實驗原理與實驗三相同，利用全橋測量原理，通過對電路調節使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱（v）改為重量量綱（g）即成為一台原始的電子秤。
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