### 金属箔式应变片传感器性能研究
#### 一、实验目的
1. **理解应变效应**：掌握金属箔式应变片的工作原理，包括电阻丝在受力变形时电阻值的变化规律。
2. **电桥工作原理**：熟悉单臂电桥的基本结构与工作特性，并对比全桥、半桥与单臂电桥的不同性能，了解它们各自的特点。
3. **全桥电路的应用**：深入理解全桥测量电路的优势及其在工程测试中的实际应用。
#### 二、实验仪器
- **应变传感器实验模块**：用于模拟和检测应变效应。
- **托盘与砝码**：用于施加外力，模拟不同的载荷条件。
- **数显电压表**：用于精确测量电压变化。
- **±15V 和 ±4V 电源**：提供稳定的电源支持。
#### 三、实验原理
- **电阻应变效应**：当电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。这一现象可以用公式 \(\Delta R/R = K\epsilon\) 描述，其中 \(\Delta R/R\) 表示电阻丝电阻相对变化，\(K\) 为应变灵敏系数，\(\epsilon = \Delta l/l\) 为电阻丝长度相对变化。
- **金属箔式应变片**：通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，可以准确反映所贴附物体的形变情况。
- **电桥原理**：
- **单臂电桥**：由一个应变片与三个固定电阻组成，输出电压存在一定的非线性误差。
- **半桥差动电路**：通过两个应变片（一个受拉，一个受压）来提高输出的线性和灵敏度。
- **全桥测量电路**：四个应变片形成闭合回路，输出信号线性更好，灵敏度更高。
#### 四、实验内容详解
1. **单桥性能测试**：
- 使用多用表测量四个应变片的电阻值，确认均为 350Ω。
- 将一个应变片接入单臂电桥，其余三个为固定电阻，构成单臂电桥电路。
- 在托盘上逐步增加砝码，记录每次增加后的电压变化。
2. **半桥性能测试**：
- 两个应变片接入电桥作为邻边，形成半桥差动电路。
- 同样在托盘上逐步增加砝码，观察电压变化趋势。
3. **全桥性能测试**：
- 受力性质相同的两个应变片接入电桥的对边，不同的接入邻边，构成全桥电路。
- 在托盘上逐步增加砝码，记录每次增加后的电压变化。
#### 五、实验数据及数据分析
**表一：单桥性能测试**
| m (g) | U (mV) | 拟合 U (mV) | ΔU (mV) |
|-------|--------|-------------|---------|
| 20 | 2.0 | 1.65 | 0.35 |
| 40 | 6.1 | 5.93 | 0.17 |
| 60 | 10.5 | 10.21 | 0.29 |
| 80 | 14.8 | 14.48 | 0.32 |
| 100 | 18.1 | 18.76 | 0.66 |
| 120 | 22.4 | 23.04 | 0.64 |
| 140 | 26.5 | 27.32 | 0.82 |
| 160 | 31.2 | 31.59 | 0.39 |
| 180 | 36.5 | 35.87 | 0.63 |
| 200 | 40.9 | 40.15 | 0.75 |
- **计算灵敏度** \(S = \Delta U / \Delta W = 0.2139V/kg\)
- **计算非线性误差** \(\delta f_1 = \Delta m / y_{fs} \times 100\% = 0.41\%\)
通过上述数据可以看出，单桥电路虽然能够检测到应变变化引起的电压变化，但其非线性误差较大，导致了数据的偏差。而随着电路复杂度的提升，从单桥到半桥再到全桥，不仅提高了灵敏度，还有效降低了非线性误差，使得测量结果更加准确可靠。
**表二：半桥性能测试**（由于原文数据不完整，这里不做详细分析）
通过对比单桥、半桥和全桥的性能测试结果，我们可以清楚地看到全桥电路在灵敏度和线性方面表现出色，这为实际工程中的应用提供了强有力的支持。例如，在桥梁健康监测、压力容器安全检测等领域，利用全桥电路的高精度和稳定性可以实现更为精确的数据采集与分析，从而保障设备的安全运行。
