实验一 直流电桥实验
一、实验目的：
了解金属箔式应变片的应变效应，熟悉单臂、半桥、全桥测量电路工作原理、性能。
二、实验仪器：
应变传感器实验模块、托盘、砝码、试验台（数显电压表、正负15V 直流电源、正负4V 电源）。
三、实验原理：
电阻丝在外力作用下发生形变，阻值发生变化，这就是电阻应变效应，关
∆R =k ∙ε系式： R
式中 ∆R ∆L 为电阻丝电阻的相对变化；k 为灵敏系数；ε=为电阻丝长度相对变R L
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。将应变片贴在悬臂梁上下两侧，当悬臂梁受压发生形变时，应变片随之被拉伸或压缩，通过这些应变片转换弹性体被测部位受力变化，电桥完成电阻到电压的比例变化。
(1)单臂电桥：固定电阻与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
E ∆R /R U 0=∙41+1∙∆R
2R
E为电桥电压；上式表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为1∆R L =-∙∙100%。 2R
(2)半桥：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输入电压
E ∙k ∙εE ∆R =∙为 U 0=22R
∆R ∆L 为电阻丝电阻的相对变化；k 为灵敏系数；ε=为电阻丝长R L
度相对变化；E 为电桥电源电压。上式表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
（3）全桥：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电路的对边，不同的接入邻边，当应变片初始值相同，变化量也相同时，其桥路输出 式中
∆R U 0=E ∙R
∆R 为电阻丝电阻的相对变化，E 为电桥电源电压。上式表明，全R
桥的输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
（4）比较以上三种电桥的输出可以看出，在受力性质相同的情况下，单臂电桥电路的输出只有全桥电路的1/4，而且输出与应变片阻值变化率存在线性误差；半桥电路的输出为全桥的1/2。半桥电路和全桥电路输出与应变片阻值变化率成线性关系。 式中
四、实验内容与步骤：
1. 差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并接地，输出端接数显电压表（2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位置，调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置不能改变）拔掉差动放大器输入端的短接线。
2.按下图连接电路：
其实际连接情况为：
电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查连线无误后，合上主控台开关，调节Rw1使电压表显示为0。
3. 依次在托盘上放下20g 砝码，直至200g 砝码加完，记录数显表数值。
4. 保持差动放大电路不变，分别按图连接半桥和全桥实验电路。
半桥面板接线图
全桥面板接线图
5.重复步骤3，完成半桥和全桥实验，并将实验结果记录到表中。
6. 连接NI 数据采集卡和转接板，将数据采集卡与电脑用数据线连接，开启试验台电源和数据采集卡开关，运行“measurement ＆automation ”查看输入通道在转接板上的对应位置。GND 接输出端地线，AI0接输出端Uo2。
五、实验报告：
根据实验所得数据分别计算单臂、半桥、全桥系统灵敏度S =∆U /∆W , 并与Labview 所得实验结果作对比。
六、注意事项：
实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg ，最大超量程为120%。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成传感器损坏。
实验二 交流全桥称重实验
一、实验目的：
1、了解交流全桥电路原理，了解信号调理和信号处理的基本方法，理解移相器、相敏检波器和低通滤波器的原理。通过本实验加深对交流电桥、信号调制与解调、滤波和放大概念的理解。
2、能够通过改变交流电桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度，掌握测试信号的基本流程，熟悉使用基本的信号测试工具。
二、实验仪器：
移相器、相敏检波器、低通滤波器试验模块、应变传感器实验模块、±15V 电源，音频信号源、NI6251采集卡、装有Labview 和NI 采集卡驱动的计算机。
三、实验原理：
如图是交流全桥的一般形式。当电桥平衡时，R 1R 3 R 2R 4, 电桥输出为零。电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。
交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形和频率稳定性。实验室一般采用5-10kHz 音频交流电源作为交流电桥电源。这样电桥输出将为调制
波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无飘零。
采用交流电桥时，必须注意到影响测量误差的一些因素，例如：电桥中元件之间的互感影响、无感电阻的残余电抗、临近交流电路对电桥的感应作用、泄露电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。
四、实验内容与步骤：
1、连接NI 数据采集卡和转接板，将数据采集卡与电脑用数据线相连，开启试验台电源和数据采集卡开关，运行“measurement ＆automation ”查看输入通道在转接板上的对应位置
2、将音频信号源U S 10 输入AI0，调节信号源频率和幅度旋钮，使得信号源
输出1kHz ，Vpp=6V正弦信号。
3、按下图接线，图中示波器用数据采集卡替代，将相敏检波器的输出接采集卡AI0通道，低通滤波器的输出端接AI1通道。
4、调节Rw3到最大，差分放大电路输入端短路，调节Rw4使Uo2输出为零。
5、调节电桥直流调平衡电位器Rw1，使系统输出基本为零，并用Rw2进一步细致调零。
6、打开NI 数据采集卡开关，运行labview 程序“示波器”，并观察波形。
7、用手轻压应变梁到最底，调节“移相”旋钮使检波器Uo 端波形成为首尾相接的全波整流波形。然后放手，悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中Rw1和Rw2电位器，使系统输出电压为零，此时桥路灵敏度最高。
8、装上砝码盘，分别以每次20g 增加砝码重量，分别测出交流全桥输出值，
9、将音频信号源U S 10 频率调到2kHz ，重复步骤8。
10、实验结束后，关闭试验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告：
1、用交流全桥实验装置测试砝码重量，将实验结果填入下表，计算出交流全桥的灵敏度和线性误差。
2
、分析信号源频率和幅度及移相器对交流全桥灵敏度的影响。
实验数据记录表
六、注意事项：
1、轻按压变梁之前要检查限程螺钉是否已经安装好。
2、统一将主控箱上的音频信号源地与±15V 电源地连接起来。
实验三 交流全桥动态特性测试
一、实验目的：
了解交流全桥测量动态应变参数的原理和方法，进一步熟悉使用NI 数据采集卡，掌握一种测量梁的固有频率的方法。通过本实验进一步加深对电桥、信号调制与解调、滤波和放大概念的理解。
二、实验仪器：
振动源、信号源、移相器/相敏检波器/低通滤波器试验模块、应变传感器实验模块、±15V 电源、NI6251采集卡、装有Labview 和NI 采集卡驱动的计算机。
三、实验原理：
应变传感器模块电桥的交流电源e 由高频的信号源提供，振动源的交流电源由低频信号源驱动，振动梁的根部贴有四个应变片，将四个应变片接入电路构成∆R 一个全桥，其输出为：u =e R
用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。当双平行振动梁被不同频率的信号激励时，起震幅度不同，贴于应变梁表面的应变片所受应力不同，电桥输出信号大小也不同，若激励频率与梁的固有频率相同时则发生共振，此时电桥输出信号最大，根据这一原理可以找出梁的固有频率。
四、实验内容与步骤：
1、按照下图连接电路，由于自动梁上已经安装应变片，所以不用模块的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到振动源板上的“应变输出”。四个应变电阻通过导线连接到了应变传感器实验模块的虚线全桥上，此时应该将连接到左上角应变片上的导线拔掉。
2、重复称重实验，现将差分放大器短接，使得差分输出为零，将振动梁轻压到底，调节移相旋钮使得示波器出现全波整流波形，此时系统灵敏度最高。
3、将信号源Us2低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，同时接到主控台上的频率表，调节低频信号源输出幅度和频率使振动台有明显振动。
4、低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率，用上位机检测频率改变时低通滤波器输出波形的电压峰值，并记录。
5、试验结束后，关闭试验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告：
六、注意事项：
进行此实验时低频信号源幅值旋钮放在约3/4处为宜。
实验一 直流电桥实验
一、实验目的：
了解金属箔式应变片的应变效应，熟悉单臂、半桥、全桥测量电路工作原理、性能。
二、实验仪器：
应变传感器实验模块、托盘、砝码、试验台（数显电压表、正负15V 直流电源、正负4V 电源）。
三、实验原理：
电阻丝在外力作用下发生形变，阻值发生变化，这就是电阻应变效应，关
∆R =k ∙ε系式： R
式中 ∆R ∆L 为电阻丝电阻的相对变化；k 为灵敏系数；ε=为电阻丝长度相对变R L
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。将应变片贴在悬臂梁上下两侧，当悬臂梁受压发生形变时，应变片随之被拉伸或压缩，通过这些应变片转换弹性体被测部位受力变化，电桥完成电阻到电压的比例变化。
(1)单臂电桥：固定电阻与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
E ∆R /R U 0=∙41+1∙∆R
2R
E为电桥电压；上式表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为1∆R L =-∙∙100%。 2R
(2)半桥：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输入电压
E ∙k ∙εE ∆R =∙为 U 0=22R
∆R ∆L 为电阻丝电阻的相对变化；k 为灵敏系数；ε=为电阻丝长R L
度相对变化；E 为电桥电源电压。上式表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
（3）全桥：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电路的对边，不同的接入邻边，当应变片初始值相同，变化量也相同时，其桥路输出 式中
∆R U 0=E ∙R
∆R 为电阻丝电阻的相对变化，E 为电桥电源电压。上式表明，全R
桥的输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
（4）比较以上三种电桥的输出可以看出，在受力性质相同的情况下，单臂电桥电路的输出只有全桥电路的1/4，而且输出与应变片阻值变化率存在线性误差；半桥电路的输出为全桥的1/2。半桥电路和全桥电路输出与应变片阻值变化率成线性关系。 式中
四、实验内容与步骤：
1. 差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并接地，输出端接数显电压表（2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位置，调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置不能改变）拔掉差动放大器输入端的短接线。
2.按下图连接电路：
其实际连接情况为：
电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查连线无误后，合上主控台开关，调节Rw1使电压表显示为0。
3. 依次在托盘上放下20g 砝码，直至200g 砝码加完，记录数显表数值。
4. 保持差动放大电路不变，分别按图连接半桥和全桥实验电路。
半桥面板接线图
全桥面板接线图
5.重复步骤3，完成半桥和全桥实验，并将实验结果记录到表中。
6. 连接NI 数据采集卡和转接板，将数据采集卡与电脑用数据线连接，开启试验台电源和数据采集卡开关，运行“measurement ＆automation ”查看输入通道在转接板上的对应位置。GND 接输出端地线，AI0接输出端Uo2。
五、实验报告：
根据实验所得数据分别计算单臂、半桥、全桥系统灵敏度S =∆U /∆W , 并与Labview 所得实验结果作对比。
六、注意事项：
实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg ，最大超量程为120%。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成传感器损坏。
实验二 交流全桥称重实验
一、实验目的：
1、了解交流全桥电路原理，了解信号调理和信号处理的基本方法，理解移相器、相敏检波器和低通滤波器的原理。通过本实验加深对交流电桥、信号调制与解调、滤波和放大概念的理解。
2、能够通过改变交流电桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度，掌握测试信号的基本流程，熟悉使用基本的信号测试工具。
二、实验仪器：
移相器、相敏检波器、低通滤波器试验模块、应变传感器实验模块、±15V 电源，音频信号源、NI6251采集卡、装有Labview 和NI 采集卡驱动的计算机。
三、实验原理：
如图是交流全桥的一般形式。当电桥平衡时，R 1R 3 R 2R 4, 电桥输出为零。电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。
交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形和频率稳定性。实验室一般采用5-10kHz 音频交流电源作为交流电桥电源。这样电桥输出将为调制
波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无飘零。
采用交流电桥时，必须注意到影响测量误差的一些因素，例如：电桥中元件之间的互感影响、无感电阻的残余电抗、临近交流电路对电桥的感应作用、泄露电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。
四、实验内容与步骤：
1、连接NI 数据采集卡和转接板，将数据采集卡与电脑用数据线相连，开启试验台电源和数据采集卡开关，运行“measurement ＆automation ”查看输入通道在转接板上的对应位置
2、将音频信号源U S 10 输入AI0，调节信号源频率和幅度旋钮，使得信号源
输出1kHz ，Vpp=6V正弦信号。
3、按下图接线，图中示波器用数据采集卡替代，将相敏检波器的输出接采集卡AI0通道，低通滤波器的输出端接AI1通道。
4、调节Rw3到最大，差分放大电路输入端短路，调节Rw4使Uo2输出为零。
5、调节电桥直流调平衡电位器Rw1，使系统输出基本为零，并用Rw2进一步细致调零。
6、打开NI 数据采集卡开关，运行labview 程序“示波器”，并观察波形。
7、用手轻压应变梁到最底，调节“移相”旋钮使检波器Uo 端波形成为首尾相接的全波整流波形。然后放手，悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中Rw1和Rw2电位器，使系统输出电压为零，此时桥路灵敏度最高。
8、装上砝码盘，分别以每次20g 增加砝码重量，分别测出交流全桥输出值，
9、将音频信号源U S 10 频率调到2kHz ，重复步骤8。
10、实验结束后，关闭试验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告：
1、用交流全桥实验装置测试砝码重量，将实验结果填入下表，计算出交流全桥的灵敏度和线性误差。
2
、分析信号源频率和幅度及移相器对交流全桥灵敏度的影响。
实验数据记录表
六、注意事项：
1、轻按压变梁之前要检查限程螺钉是否已经安装好。
2、统一将主控箱上的音频信号源地与±15V 电源地连接起来。
实验三 交流全桥动态特性测试
一、实验目的：
了解交流全桥测量动态应变参数的原理和方法，进一步熟悉使用NI 数据采集卡，掌握一种测量梁的固有频率的方法。通过本实验进一步加深对电桥、信号调制与解调、滤波和放大概念的理解。
二、实验仪器：
振动源、信号源、移相器/相敏检波器/低通滤波器试验模块、应变传感器实验模块、±15V 电源、NI6251采集卡、装有Labview 和NI 采集卡驱动的计算机。
三、实验原理：
应变传感器模块电桥的交流电源e 由高频的信号源提供，振动源的交流电源由低频信号源驱动，振动梁的根部贴有四个应变片，将四个应变片接入电路构成∆R 一个全桥，其输出为：u =e R
用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。当双平行振动梁被不同频率的信号激励时，起震幅度不同，贴于应变梁表面的应变片所受应力不同，电桥输出信号大小也不同，若激励频率与梁的固有频率相同时则发生共振，此时电桥输出信号最大，根据这一原理可以找出梁的固有频率。
四、实验内容与步骤：
1、按照下图连接电路，由于自动梁上已经安装应变片，所以不用模块的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到振动源板上的“应变输出”。四个应变电阻通过导线连接到了应变传感器实验模块的虚线全桥上，此时应该将连接到左上角应变片上的导线拔掉。
2、重复称重实验，现将差分放大器短接，使得差分输出为零，将振动梁轻压到底，调节移相旋钮使得示波器出现全波整流波形，此时系统灵敏度最高。
3、将信号源Us2低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，同时接到主控台上的频率表，调节低频信号源输出幅度和频率使振动台有明显振动。
4、低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率，用上位机检测频率改变时低通滤波器输出波形的电压峰值，并记录。
5、试验结束后，关闭试验台电源，整理好实验设备。
五、实验报告：
六、注意事项：
进行此实验时低频信号源幅值旋钮放在约3/4处为宜。