电阻应变式传感器测量砝码重量的任务优化

一、任务目标

通过本任务的学习，让学生了解电阻应变式传感器的结构和分类，掌握电阻应变片的工作原理，熟悉测量直流电桥的三种工作方式及其输出特性，并学会利用电阻应变片式传感器测量砝码重量。

二、任务分析

练习

（1）导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为________。

（2）电阻应变式传感器可直接测量的物理量是_________，金属电阻应变片根据敏感栅分为丝式应变片、箔式应变片、________三种。

（3）为电阻应变片配桥式测量转换电路的作用是________________________。

（4）电阻应变片直流电桥的三种接法是________、________、________。直流电桥测量转换电路，因接法不同，灵敏度也不同，________的灵敏度最大，实验证明输出电压与应变或受力成________（线性／非线性）关系。

（5）直流电桥由R1、R2、R3、R4 顺时针构成4 个桥臂，直流电桥平衡的条件为：________________（公式）。

（6）将应变片贴在各类弹性体上，并且将其接入测量转换电路，构成各类应变片式传感器，主要用于________、________、________等物理量的测量。

思考

电阻应变式传感器单臂电桥测量转换电路在测量时由于温度变化会产生误差吗？电阻应变式传感器进行温度补偿的方法是什么？

三、任务实施

1.认识电阻应变式传感器及其实验模块

本任务所需的电阻应变式传感器已固定在实验模块中，如图2-28（a）所示。

图2-28　电阻应变传感器实验模块

（a）安装图；（b）实物图
1，5—应变片；2—引出线；3—固定垫圈；4—固定螺丝；6—托盘；7—弹性体；8—限程螺丝；9—模板

除了应变传感器实验模块外，本任务的实施还要用到托盘、砝码、数显表、直流稳压源及万用表。

2.电阻应变式传感器测量力的工作原理

4 个金属箔式应变片（R1～R4）分别贴在悬臂梁的上下两侧，在悬臂梁一端安装上托盘，再将其中一个金属箔式应变片R1 依次接入直流电桥，构成单臂直流电桥，通过差动放大电路输出。完成了直流电桥和差动放大电路的调零后可以开始砝码的称重。

当被测重物放至托盘上时，悬臂梁一端受到压力发生形变，应变片随悬臂梁产生形变，悬臂梁上侧的两个应变片被拉伸，下侧的两个应变片被压缩，再将应变片电阻微小变化通过直流电桥转换成电压的变化。

3.任务实施步骤

1）差分放大电路调零。从实验台直流稳压电源模块接入±15 V 电源，将差动放大电路的输入端Ui 短接，输出端Uo2接直流电压表，选择2 V 挡。检查无误后，合上实验台电源开关，打开直流稳压电源开关，将电位器RW3 增益调到最大位置（顺时针转到底），调节电位器RW4使电压表显示为0 V，如图2-29所示。调零完毕后，关闭直流稳压电源开关。

图2-29　差分放大电路调零接线图

注意：RW3、RW4的位置确定后不能改动。

2）单臂电桥的接线。拔掉差分放大电路输入端的短接线，如图2-30所示连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7 构成一个单臂直流电桥。图中单臂电桥的输入电压±4 V 由实验台的可调电压源接入。

3）单臂电桥输出调零。在悬臂梁一端加上托盘，并且将直流电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上实验台直流稳压电源开关，预热5 min，调节RW1使直流电压表显示为零。

4）采用单臂电桥对砝码称重。在应变式传感器托盘上放置一只标准砝码（20 g），读取直流电压表的数值，并记录在表2-1中，依次增加砝码和读取相应的直流电压表的数值，直到200 g 砝码加完，记录实验结果，填入表2-1。

图2-30　单臂电桥接线图

表2-1　砝码重量（质量）和单臂电桥输出电压关系

5）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。(www.xing528.com)

4.数据处理

根据表2-1数据绘制砝码重量（质量）和单臂电桥输出电压关系（Uo-m 曲线），如图2-31所示。

图2-31　Uo-m 曲线

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表2-2。

表2-2　电阻应变式传感器测量砝码重量（单臂电桥）评分表

四、任务拓展

采用电阻应变式传感器实验模块来进行称重实验，其中测量转换电路接成单臂电桥的形式。由前面的知识可知，全桥（全等臂电桥）的输出灵敏度最高，是双臂电桥（半桥）的两倍，单臂电桥的四倍。并且采用双臂电桥（半桥）和全桥的工作方式可以实现温度补偿。请同学们按照下面的实验步骤自己动手将测量转换电路接成全桥（全等臂电桥）的形式，并验证全桥（全等臂电桥）灵敏度。

1.仪器设备及器材

应变式传感器实验模块、托盘、砝码、直流电压表、±15 V、±4 V 电源、万用表（自备）。

2.工作原理

直流电桥接成全桥形式时，受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图2-32所示，当应变片初始值相等，变化量也相等时，直流电桥输出电压为：

图2-32　全桥测量转换电路

式中 Ui——电桥电源电压；

——电阻应变片阻值相对变化率。

式（2-16）表明，全桥输出灵敏度是单臂电桥的四倍，非线性误差得到进一步改善。

3.实验内容与步骤

1）差分放大电路调零。从实验台直流稳压电源模块接入±15 V 电源，将差动放大电路的输入端Ui 短接，输出端Uo2接直流电压表，选择2 V 挡。检查无误后，合上实验台电源开关，打开直流稳压电源开关，将电位器RW3增益调到最大位置（顺时针转到底），调节电位器RW4使电压表显示为0 V，如图2-29所示。调零完毕后，关闭直流稳压电源开关。

2）全等臂电桥的接线。保持差分放大电路RW3、RW4 的位置不变，拔掉单臂电桥的接线，如图2-33所示连线。将电阻应变片R1、R2、R3、R4 接入电桥组成全桥工作方式，输入电压±4 V 由实验台的可调电压源接入。

图2-33　全等臂电桥接线图

3）全等臂电桥输出调零。在悬臂梁一端加上托盘，并且将直流电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台直流稳压电源开关，预热5 min，调节RW1使直流电压表显示为零。

4）采用全等臂电桥对砝码称重。在托盘上依次放上10 个标准砝码（每个20 g），每增加一个砝码就读取直流电压表的数值，并记录在表2-3中。

表2-3　砝码重量（质量）和单臂电桥输出电压关系

5）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

根据记录的实验数据，计算并比较单臂、全等臂电桥的灵敏度和非线性误差，并将得到的结论与理论计算进行比较。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表2-4。

表2-4　电阻应变式传感器测量砝码重量（全等臂电桥）评分表