实验二 电桥测试

（1）电阻式传感器的单臂电桥性能实验

一、实验目的

1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。

2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。

3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。

二、实验所用单元

电阻应变式传感器、调零电桥，差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。

三、实验原理及电路

1、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥（双臂）与全桥电路，最大测量范围为±3mm。

1─外壳  2─电阻应变片  3─测杆  4─等截面悬臂梁  5─面板接线图

图1-1  电阻应变式传感器

2、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR/ R＝KΔL/ L=Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/ L。通过施加外力引起应变片变形，测量电路将电阻变化转换为电流或电压的变化。

    对于金属应变片，Ks主要取决于式中的第一项。金属的泊松比通常在0.3左右，对于大多数金属Ks取2。本实验采用直流电桥来测量金属应变片的工作特性。

3．电桥的工作原理和特性

（1）电桥的工作原理

图2 是一个直流电桥．A、C端接直流电源，称供桥端，Uo称供桥电压；B、D 端接测量仪器，称输出端

U_BD=U_BC+U_CD=U_O[R₃/(R₃+R₄)-R₂/(R₁+R₂)]                               1）

由式（1）可知，当电桥输出电压为零时电桥处于平衡状态．为保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡）．

（2）电桥的加减特性

电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化(电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出．当供桥电压一定而且△R_i<<R_i时，

d U=(¶ U/¶R₁) d R₁+(¶ U/¶R₂) dR₂+(¶ U/¶R₃) dR₃+(¶ U/¶R₄) dR₄         2)

其中U =U _BD．

对于全等臂电桥，R₁=R₂=R₃=R₄=R，各桥臂应变片灵敏系数K相同，上式可简化为

d U=0.25U_O(d R₁ / R₁- d R₂ / R₂+ d R₃ / R₃- d R₄ / R₄)                   3）

当△Ri<<R 时，此时可用电压输出增量式表示

D U=0.25 U_O (D R₁ / R₁- D R₂ / R₂+ D R₃ / R₃- D R₄ / R₄)                 4）

式（4）为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：

（a）当只有一个桥臂接应变片时（称为单臂电桥），桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R 变为R+△R，其余各臂为固定电阻R（△R₂=△R₃=△R₄=0），则式（4）变为

D U=0.25 U_O (D R / R)= 0.25 U_OKε                               5）

（b）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥），（见图3）即桥臂R₁、R₂为工作臂，且工作时有电阻增量△R₁、△R₂，而R₃和R₄臂为固定电阻R（DR₃=DR₄=0）．当

两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时，则有△R₁=△R₂=△R，由式（4）可得△U=0．当一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有△R₁=△R，△R₂=－△R，由式（4）可得

D U=2[ 0.25 U_O (D R / R) ]=2 [ 0.25 U_O Kε]                         6)

（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R₁=R₂=R₃=R₄=R，都是工作臂，△R₁=△R₃=△R，△R₂=△R₄=－△R，则式（4）变为

D U=4[ 0.25 U_O (D R / R) ]=4 [ 0.25 U_O Kε]                         7)

此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍．

（3）电桥的灵敏度

电桥的灵敏度Su是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小

S_u=D U/(D R/ R)= 0.25 U_O (D R₁ / R₁- D R₂ / R₂+ D R₃ / R₃- D R₄ / R₄)/ (D R/ R)  8)

令 n=(D R₁ / R₁- D R₂ / R₂+ D R₃ / R₃- D R₄ / R₄)/ (D R/ R)               9)

则S_u=0.25n U_O                                                                    10)

式中，n 为电桥的工作臂系数．

由上式可知，电桥的工作臂系数愈大，则电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加n 及测量灵敏度．

n=1时单臂半桥  n=2时双臂半桥  n=4时双臂全桥

3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R₁、R₂、R₃为固定，R为电阻应变片，输出电压  D U=EKε                        11）

E---电桥转换系数：单臂E= U₀/4  半桥（双臂）E= U₀/2 全桥 E= U₀

4.由10）11）可知：S_u、D U均与电桥的工作臂数、Uo供桥电压成正比；但Uo供桥电压过大会使应变片的温度变大。

图1-2 电阻式传感器单臂电桥实验电路图

四、实验步骤

1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。

2、实验箱上差动放大器（实验台内部已连接±15V），；将差动放大器放大倍数电位器RP₁旋钮（实验台为增益旋钮）逆时针旋到终端位置。

3、用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V档按键（实验台为将电压量程拨到20V档）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP₂旋钮，使电压表指示向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器RP₂旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP₂旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP₁。

4、按图1-2接线，R₁、R₂、R₃（调零电桥上的固定电阻）与一个的应变片构成单臂电桥形式。

5、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使电压表指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值U_O记入下表中。

表 1-1

五、实验报告

1、根据表1-1中的实验数据，画出输入/输出特性曲线，并且计算灵敏度和非线性误差。

2、传感器的输入电压能否从＋5V提高到＋10V？输入电压的大小取决于什么？

3、分析电桥测量电阻式传感器特性时存在非线性误差的原因。

（2） 电阻式传感器的全桥性能实验

一、实验目的

掌握全桥电路的工作原理和性能。

二、实验所用单元

同上。

三、实验原理及电路

将四个应变片电阻分别接入电桥的四个桥臂，两相邻的应变片电阻的受力方向不同，组成全桥形式的测量电路，转换电路的输出灵敏度进一步提高，非线性得到改善。实验电路图见图3-1，全桥的输出电压D U=EKε

四、实验步骤

1、按实验一的实验步骤1至3进行操作。

2、按图3-1接线，将四个应变片接入电桥中，注意相邻桥臂的应变片电阻受力方向必须相反。

图3-1 电阻式传感器全桥实验电路

3、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使表头指示为零，此时测微器的读数视为系统零位。分别上旋和下旋测微器，每次0.4mm，上下各2mm，将位移量X和对应的输出电压值U_O记入下表中。

表 3-1

五、实验报告

1、根据表3-1，画出输入/输出特性曲线，并且计算灵敏度和非线性误差。

2、全桥测量时，四个应变片电阻是否必须全部一样？

第二篇：实验5 单臂电桥法测量电阻

实验五单臂电桥法测量电阻

一、实验目的

1. 理解并掌握单臂电桥测电阻的原理。

2. 学习用箱式单臂电桥测中值电阻。

二、实验器材

稳压电源、电阻箱一个、QJ23a型箱式惠斯登电桥(直流单臂电桥)、待测电阻4只，导线等。

三、实验原理

我们知道的用伏-安法测电阻、用万用表(欧姆表)测电阻都只是一种粗略测量电阻阻值的方法，其相对误差一般都在百分之几以上。原因是在上述这些测量中电表本身的非理想化，给测量带来附加的误差。为了减小这种由于电表非理想化所带来的测量误差，我们学习一种用惠斯登电桥测量电阻的方法。在这个电路中，只要想办法使电流表(检流计)两端电势相等，则通过电表的电流就可以为零。这种情况就称为“电桥平衡”。根据电桥平衡所需满足的关系，我们就可精确地测量电阻了。

其测量原理如下:

图1是惠斯登电桥的原理图，图中由可调标准电阻R₁、R₂、R₀和被测电阻R_x组成一个四边形ABCD，每一边称为电桥的一个臂。通常称R₁、R₂为比例臂电阻，它们成为一个比例系数C；R₀称为调节电阻，用来调节电桥平衡。一般在对角线两端接上检流计G，在另一对角线两端接电源E。

电桥接通后，一般在桥路上有电流通过，则检流计G的指针会发生偏转。如果能适当调节R₁、R₂和R₀，使桥的B、D两端电势相等，则检流计上无电流通过，指针应指在零位，这时电桥达到平衡。电桥平衡时，有,则有:       

各桥臂电阻上的电压降之间有关系式:

         

将此两式相除,则有:

          

          

                                      

其中，C称为比例臂的倍率，实验中C应取合适的倍率（一是取10的整数次幂，二是要保证测量结果至少有四位有效数字）。由于在式中R₁、R₂和R₀是已知电阻，所以只要提高R₁、R₂和R₀的准确度，就可以提高待测电阻R_x的测量准确度。

四 、实验步骤

（1）实验前认真读QJ23a型直流电桥的使用说明书。

（2） 将电源转换开关扳向“B内”，指零仪转换开关扳向“G内”，对指零仪进行机械调零，使指针与表面“0”线重合。

（3）将一只待测电阻接在箱式电桥的位置上，调整量程倍率变换器的位置和测量盘的旋钮，使仪器上的读数与待测电阻的阻值相近。（思考测量不同的电阻值时应该选取何种量程倍率值）；

（4）先后按下“B”和“G”接钮，观察检流计(指零仪)指针的偏转情况。若指针向“+”方向偏转，表示待测电阻大于估计值，应将测量盘数值调大，反之则调小。逐步将测量盘由大到小、由粗到细调节，直到使指针不发生偏转为止。

（4）当指针指到零位后，电桥即平衡，这时待测电阻的阻值=测量盘数值之和×倍率，记下这一数值。

（5）用同样方法再测另一个待测电阻。

2．电桥灵敏度

电桥平衡后，将某一桥臂电阻（如R₀）改变一微小量△R₀ 引起灵敏度电流计偏转△n格，这时电桥灵敏度S定义为式：

      

显然，电桥灵敏度S越大，则电阻相对变化相同时偏转的格数越大，对电桥平衡的判断越容易，这也意味着测量的结果越准确，因此提高电桥的灵敏度是提高电桥测量准确度的一个重要方面。

测量应注意的是：△n是在平衡后，R₀改变△R₀ 时，检流计偏转的最大格数。
五、注意事项
电桥使用完毕，必须将两转换开关分别扳至“B外”、“G外”使电源全部切断，并将“B”和“G”按钮复位。电桥若长期不用，则应将所有干电池取出。

测得的电阻值分别为：R1=          R2=             R3=              R4=

电桥灵敏度为：