一、 实验目的
1.熟悉仪器内各部件的配置、功能和使用方法
2.观察传感器结构和应变片位置，熟悉仪器上的桥线
3.根据图4的电路图连接电路，测量传感器单臂桥V-W曲线，并求灵敏度S=?
V?W。测重物W与电压V当增加重量（上升曲线）和减少重量（下降曲线）时，测量关系曲线。分别找出上升曲线和下降曲线的灵敏度，并找出灵敏度S的平均值。
4.测量传感器半桥和全桥的灵敏度，并与单臂电桥进行比较 。
二、 实验原理
1. 物理基础
如果沿导线轴方向施加张力或压力，其电阻也会发生变化。这种现象称为应变电阻效应，如图1所示。
图1金属丝受力时几何尺寸变化图
k0=(1 2ν) dρρε
在弹性范围内，一般金属材料的泊松比通常为0.25~0.4之间，所以1 2ν在1.5~1.在8之间，其电阻率略有变化。一般金属材料制成的应变敏感元件的灵敏系数值k0
大约是2，但其具体尺寸需要通过实验来确定。
2. 金属材料电阻应变片的结构
电阻应变片是一种常用的电阻应变敏感元件，其结构如右图2所示，由1-敏感栅、2-引线、3-粘合剂、4-盖和5-基底组成。敏感栅的厚度为0.003~0.010mm用金属丝或金属丝制成的金属箔。
图2 应变片结构示意图
3. 电阻应变传感器转换电路
应变片将应变量ε转换为电阻相对变化RR，为了测量?R
，通常使用各种电桥线路。根据连接到桥臂的工作应变片的位置和数量，电桥电路可分为图3所示的情况：
图3 电桥电路
众所周知，电桥平衡的条件是：电桥相对于两臂电阻的乘积相等或相邻两臂电阻比相等，即
R1R4=R2R3或R1R2=R3R4 (5)
1) 单臂电桥
如果只有四臂电桥，R1.工作应变片由于应变而产生相应的电阻变化
?R1，而
R2、R3和R4为固定电阻，称为单臂电桥，如图3所示-b所示。U0为电桥输出电压。电桥在初始状态下处于平衡状态，U0=0。当有
?R1.电桥输出电压U0为：
U0=
U(R4R3)(?R1R1)
(6)
1 (RR) (?RR)1 RR21143电桥电压灵敏度定义为：
kμ=U0(?R1R1) (7)
在式(6)中设置桥臂比
n=R2R1.由于电桥的初始平衡R1R2=R3R在分母中略去
?R1R1，可得
U0=
nU
(1 n)
2
??R1R1 (8)
因此，当单臂为工作应变片时，电桥的电压灵敏度为：
kμ=nU(1 n) (9)
二、 半桥电桥
考虑单臂电桥U值的选择受应变片功耗的限制，因此可以选择n最高灵敏度值
2
kμ
，由
dkμdn=0
可得，当n=1时，即：R1=R2，R3=R4时，
kμ
是最大的，此时
U0=U?R14R1 (10)
因此
kμ=U/4 (11)
考虑到(8)公式的求出U0时忽略了分母中的分母R1R一是近似值，实际值有非线性误差。为了减少和克服非线性误差，常用的方法是使用差动电桥，如图3所示-c如图所示，在试件上安装两个工作应变片，一个是拉力，另一个是压力，然后连接到电桥的相邻臂，此时电桥的输出电压U0为：
?R3?R1 ?R1
U0=U?-? (12)
?R1 ?R1 R2-?R2R3 R4?
当平衡电桥开始时R1=R2=R3=R4，因此
?R1=?R2，则U0=U??R12R1
kμ=U/2 (13)
输出电压无非线性误差，电桥灵敏度是单臂电桥的两倍，具有温度补偿作用。
3) 全桥电桥
为了进一步提高桥梁的灵敏度和温度补偿，多个应变片经常放置在桥臂中。电桥可采用四臂电桥（或全桥），如图3所示-d所示。
当平衡电桥开始时R1=R2=R3=R4.忽略高阶微量，则忽略U0=U??R1R1。因此
kμ=U (14)
此时灵敏度最高，输出和
?R1R
1成线性关系。
在实际测试中，由于电阻应变片工作，其电阻变化通常很小，电桥相应的输出电压也很小。为了促进仪器的检测或记录，还必须放大电桥的输出电压。本实验中使用的放大器为差分放大器，实际电路图如图4所示：
图4
三、 仪器设备
SET-N型式传感器实验仪；砝码；砝码盒。
四、测量内容
1. 单臂电桥测电桥的灵敏度
单臂电桥的灵敏度(mV/g)=0.568 2. 半桥电桥测电桥的灵敏度
半桥电桥的灵敏度(mV/g)=1.14
全桥电桥的灵敏度(mV/g)=2.28
5. 数据处理
1. 作为单臂电桥V-W曲线
2.计算电桥的灵敏度
根据所得数据表S=ΔU/ΔW计算电桥灵敏度：
单臂电桥的灵敏度(上升和下降曲线相同)(mV/g)=0.568； 半桥电桥的灵敏度(mV/g)=1.14； 全桥电桥的灵敏度(mV/g)=2.28;
六、误差分析
(1)单臂电桥输出电压U0并不是与?R1/R严格的线性关系，有非线性误差=
?R1/R1
；全桥电路输出电压U0不是与?R1/R1成严
1 n ?R1/R1
网格的线性关系程中，网格的线性关系忽略了高阶微量。
(2)仪器灵敏度高，线路松动导致电压不稳定，读数估读，造成一定误差。
(3)加上砝码后，由于滞后效应，电压显示值在突变之后还会发生微小的变化，应该等到读数稳定了以后再读，否则会导致读数不准确。
七、思考题
1.仔细观察单臂、半桥、全桥电路灵敏度与应变片数量的关系，推断三臂电路电桥灵敏度，并通过实验验证。
答：观察到的关系是：应变片的数量与灵敏度与单臂电桥的比值成正比，因此推断三臂电路的电桥灵敏度是单臂电桥的3倍，即三臂电路的电桥灵敏度约为1.704，经实验验证得推想正确。
2.在半桥测量过程中，当两个不同受力状态的应变片接入电桥时，应放置在对侧或邻侧。为什么？
答:应该放在邻里。因为在邻里，中点的电位变化可以和其他参考点进行比较。如果不在邻里，两个应变片发生变化时，相应电阻的电位差可能为0。
3.在许多物理实验中(如拉伸法测量钢丝杨氏模量、金属热膨胀系数测量和本实验)加载(或加热)和减载(冷却)对应物理量的变化有滞后作用。试着总结它们的共同点，并提出解决方案。
答:共同点:金属的变形和温度的变化不是瞬间完成的，有一定的滞后时间，所以测量值和真实值会有一定的误差。
解决方案：a.在实验中，每个变形或温度变化应尽可能小，以缩短滞后时间。
b.改变实验条件后，读取数据需要一段时间。