电子秤设计：电桥电路的应用

【实验目的】

（1）掌握金属箔式应变片的应变效应、单臂和半桥电路工作原理和性能。

（2）学会利用应变片构建质量检测系统，实现一个简易电子秤功能。

【实验原理】

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。描述电阻应变效应的关系式为

式中：ΔR/R为电阻丝电阻的相对变化；K为应变灵敏系数；ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用于转换被测部位的受力状态变化；电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，其输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。

【实验仪器与设备】

应变式传感器实验模块、砝码、数显表（主控台上电压表）、±15 V电源、±4 V电源、万用表。

【实验步骤】

1.检查应变式传感器的安装

如图8.2.1所示，将应变式传感器装于应变式传感器模块上。传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，各应变片初始阻值R1=R2=R3=R4=（351±2）Ω，加热丝初始阻值为20～50Ω。

图8.2.1　应变式传感器的安装示意图

2.差动放大器的调零

首先，将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针拧到底（即此时放大器增益最大）；然后，将差动放大器的正、负输入端相连并与地短接，输出端与主控台上的电压表输入端Vi相连。检查无误后从主控台上接入模块电源±15 V以及地线。合上主控台电源开关，调节实验模块上的调零电位器Rw4，使电压表显示为0（电压表的切换开关打到2 V挡）。关闭主控箱电源。（注意：Rw4的位置一旦确定，就不能改变，一直到做完实验为止）

3.电桥调零

适当调小增益Rw3（顺时针旋转3～4圈，电位器最大可顺时针旋转5圈），将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上方的R1）接入电桥（见图8.2.2），作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5.R6.R7模块内已连接好，其中模块上虚线电阻符号为示意符号，没有实际的电阻存在）。给桥路接入±4 V电源（从主控箱引入），同时，将模块左上方拨段开关拨至左边直流挡（直流挡和交流挡调零电阻阻值不同）。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节电桥调零电位器Rw1，使电压表显示为0。(www.xing528.com)

图8.2.2　应变式传感器模块接线图

4.测量并记录

在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数值，直到10只砝码加完。记下实验结果填入表8.2.1，关闭电源。

表8.2.1　单臂电桥输出电压与加负载质量

5.计算灵敏度和误差

根据表8.2.1计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW（Δu为输出电压变化量，ΔW为重量变化量）；计算非线性误差，δf1=Δm/yF·S×100%，Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，yF·S为满量程输出平均值，此处为500 g或200 g。

6.半桥电路测量

保持金属箔式应变片实验单臂电桥性能实验中的Rw3和Rw4的当前位置不变。根据图8.2.3接线。R1、R2为实验模块左上方的应变片，此时要根据模块上的标识确认R1和R2受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。给桥路接入±4 V电源，检查连线无误后，合上主控箱电源，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。依次轻放标准砝码，将实验数据记入表8.2.2，根据表8.2.2计算灵敏度S、非线性误差δf2。

图8.2.3　应变式传感器半桥电路接线图

表8.2.2　半桥测量时输出电压与加负载质量

【注意事项】

（1）如出现零漂现象，则是在供电电压下，应变片本身通过电流所形成的应变片温度效应的影响。可观察零漂数值的变化，若调零后数值稳定下来，表示应变片已处于工作状态，时间大概5～10min。

（2）如出现数值不稳定、电压表读数随机跳变情况，可再次确认各实验线的连接是否牢靠，且保证实验过程中，尽量不接触实验线。另外，由于应变实验增益比较大，实验线陈旧或老化后产生线间电容效应，也会产生此现象。

（3）因差动放大器放大倍数很高，应变式传感器实验模块对各种信号干扰很敏感，所以在用应变模块做实验时模块周围不能放置有无线数据交换的设备，如正在无线上网的手机、iPad、笔记本电脑等。