华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书
实验二十 应变式传感器的研究
一、 实验目的：
1、 了解金属薄式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式； 2、 测试应变梁形变的应变输出；
3、 比较金属薄式应变片单臂、半桥及全桥的性能。
二、 实验原理：
应变片是一种将机械构件的应变转换为电阻值变化的变换元件，一般做成片状，简称为应变片。应变片按材料的不同有金属应变片和半导体应变片。
应变片是最常用的测力的传感元件。当用应变片测试时，应变片应牢固的粘贴在测试体表面，当测试件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化，通过电桥电路，将电阻值的变化转换成电信号输出。
USR1R2R4R3U0
图1-1 常用电桥测量电路
金属薄式应变片最常用的电桥测量电路如图1-1所示，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零。图中桥臂四个电阻为R1、R2、R3和R4，电阻的相对变化率分别为?R1/R1、?R2/R2、
?R3/R3和?R4/R4，当使用一个应变片时，若设图中R2为应变
片，其他三臂为固定电阻，则构成单臂电桥电路。这时输出电压V０的表达式为：
U0?1?R21US?K?US4R24
公式中：?为电阻R2所对应的应变值；K为应变片灵敏度系数。
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华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 当用两个应变片（如图1-1R2、R3为应变片时）组成半桥差动工作状态时，对应的电桥输出电压为：
U0?1K?US2
当桥路中四个桥臂均为应变片，并且构成全桥差动电路时，电桥的输出电压：
U0?K?USK u
电桥的电压灵敏度（
U011USU?R/R）对于单臂、半桥及全桥分别为4、2S和US。由
此可知，当US和电阻相对变化一定时，电桥的电压灵敏度KU与各桥臂阻值无关。电桥输出
1电压UO经差动放大器后，由2位数字直流电压表显示悬臂梁的应变。
3本实验采用的一付平行悬臂梁在CSY系列传感器系统实验仪的左侧，如图1-2所示，梁的上表面和下表面对应地贴有八片应变片，其中六片为金属薄式应变片（BHF-350），在
六片中有四片为梁上表面和下表面的工作应变化，分别用符号为横向粘贴的温度补偿片，用符号
和
和表示，另外两片
表示。还有两片为半导体应变片。
箔式工作片半导体片箔式工作片补偿片应变梁永久磁钢 图1-2 应变片分布位置
三、 实验任务：
1、 观察应变片的结构及粘贴方式； 2、 差动放大器的调零：
差动放大器增益置100倍（增益电位器顺时针方向旋到底）“+、-”输入端用实验线对地短接。输出端接数字电压表2V量程,开启总电源和副电源开关。用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零。调零后 “调零”电位器的位置不要变化，拔掉实验导线，关闭
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华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 电源。
3、 单臂工作情况测试：
（1） 按图1-3所示电路连接实验线路，电路中R1、R2、R3和WD为电桥中的固定电阻和直流平衡电位器，R1=R2=R3=350Ω,电桥电压为±4V，R为应变片（可选上、下梁中的一片工作片）；
+4VR3R1R+R1R2VWDR2-R3WD（RW1）WA（RW2）
-4V
实验操作台 图1-3 单臂工作测试实验线路
（2） 测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢，用以调节使应变梁处于基本水平状态。 （3） 确认接线无误后，开启总电源，调节电桥直流平衡电位器WD，使测试系统输出为零（用数字电压表监视）；
（4） 转动测微头，记录应变梁向上位移及数字电压显示的电压值。每移位0.5㎜记录一对应电压值，共上移5㎜。并记录数据列表如下： 位移量 （㎜） 电压值 （V） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 ??X/?V）和电桥电压灵敏度根据表中所测数据计算系统灵敏度S，（S KU(KU?U0)?R/R并做出V-X关系曲线。
4、 半桥和全桥工作性能测试。
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华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书 （1） 在完成实验任务3的基础上，不改变差动放大器的增益和调零电位器，依次将图1-3中的R1、R2、R3换成金属薄式应变片，分别接成半桥（图1-4）和全桥（图1-5）测试系统；
（2） 重复实验任务3中（2）-（4）步骤，测出半桥和全桥输出电压数据并记录列表，计算灵敏度。
+4VR1+VWDR2--4V图1-4 半桥测试实验线路
+4V+VWD--4V图1-5 全桥测试实验线路
四、 实验注意事项：
1、 实验前应检查实验接线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线；
2、 接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时应轻轻把反方向转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂；
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