電阻應(yīng)變片傳感器實驗PPT學習教案

1、會計學1電阻應(yīng)變片傳感器實驗電阻應(yīng)變片傳感器實驗 一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?) 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，電橋了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，電橋工作原理、基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；工作原理、基本結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；2) 研究和比較單臂、半橋、全橋的靈敏度研究和比較單臂、半橋、全橋的靈敏度和特性，得出相應(yīng)結(jié)論和特性，得出相應(yīng)結(jié)論 。二、實驗儀器二、實驗儀器 CSY系列傳感器系統(tǒng)實驗儀，直流穩(wěn)壓源系列傳感器系統(tǒng)實驗儀，直流穩(wěn)壓源，金屬箔式應(yīng)變片，直流調(diào)平衡電位器，雙，金屬箔式應(yīng)變片，直流調(diào)平衡電位器，雙平行式懸臂梁，螺旋測微頭，差動放大器，平行式懸臂梁，螺旋測微頭，差動放大器，數(shù)字電壓表。數(shù)字電壓表。第1頁/共

2、20頁 電阻應(yīng)變片傳感器是目前用于測量力、力矩、壓電阻應(yīng)變片傳感器是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。它是力、加速度、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。它是利用應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量微小變化量（機械）的利用應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量微小變化量（機械）的理想傳感器。理想傳感器。 金屬絲在外力（拉力或壓力）作用下發(fā)生機械形金屬絲在外力（拉力或壓力）作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應(yīng)變變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)效應(yīng) ，金屬的電阻表達式：，金屬的電阻表達式：R R= = (L/(L/S) ) ，當金屬電阻當金屬電阻絲受到軸向拉力

3、絲受到軸向拉力F作用時，將伸長作用時，將伸長L ，橫截面積相應(yīng)，橫截面積相應(yīng)減小減小S ，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變 ，故引起電阻值變化，故引起電阻值變化R 。對上式全微分，并用相對。對上式全微分，并用相對變化量來表示，則有：變化量來表示，則有：三、實驗原理三、實驗原理 SSllRR第2頁/共20頁 ll又又可以表示為：可以表示為：R/RK 上式即為電阻應(yīng)變效應(yīng)的表達式。式中上式即為電阻應(yīng)變效應(yīng)的表達式。式中: :R/R 為電阻絲電阻相對變化，為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)為應(yīng)變靈敏系數(shù), , 受兩受兩個因素影響，一個是材料的幾何尺寸變化引起

4、的，個因素影響，一個是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個是材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（稱另一個是材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效壓阻效應(yīng)應(yīng)”）。對于金屬材料而言，以前者為主，實驗也）。對于金屬材料而言，以前者為主，實驗也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對變化與軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)= =2左右。左右。 = =L/L L/L 為電阻絲長度相對變化。為電阻絲長度相對變化。 金屬箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制金屬箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀成的應(yīng)變敏感

5、元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化。電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化態(tài)變化。電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化,電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。第3頁/共20頁 本實驗以金屬應(yīng)變梁作為產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體，本實驗以金屬應(yīng)變梁作為產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體，應(yīng)變采用雙平行梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)變采用雙平行梁結(jié)構(gòu)，平行梁上梁的上表面和下平行梁上梁的上表面和下梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別用符號別用符號 和和 表示。表示。 其中六片為金屬箔式片其中六片為金屬箔式片（BHF-350）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用）。橫向所

6、貼的兩片為溫度補償片，用符號符號 和和 表示。片上標有表示。片上標有“BY”字樣的為半導字樣的為半導體式應(yīng)變片，梁的頂端裝有一位移平臺，位移平臺體式應(yīng)變片，梁的頂端裝有一位移平臺，位移平臺上方裝有一測微頭，旋動測微頭，可使位移平臺上上方裝有一測微頭，旋動測微頭，可使位移平臺上下位移，使應(yīng)變梁彎曲變形，粘貼在梁上的電阻應(yīng)下位移，使應(yīng)變梁彎曲變形，粘貼在梁上的電阻應(yīng)變片也隨之變形，使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化變片也隨之變形，使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化,將這些應(yīng)變片組成電橋，就可測得應(yīng)變片的電阻值將這些應(yīng)變片組成電橋，就可測得應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生的變化，就可測得應(yīng)變橋路的輸出特性，即電產(chǎn)生的變化，就

7、可測得應(yīng)變橋路的輸出特性，即電橋輸出電壓橋輸出電壓 V(mv)與位移與位移 X(mm)的函數(shù)關(guān)系：的函數(shù)關(guān)系：V=f (x) 本實驗以金屬應(yīng)變梁作為產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體，本實驗以金屬應(yīng)變梁作為產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體，應(yīng)變采用雙平行梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)變采用雙平行梁結(jié)構(gòu)，平行梁上梁的上表面和下平行梁上梁的上表面和下梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別用符號別用符號 和和 表示。表示。 其中六片為金屬箔式片其中六片為金屬箔式片（BHF-350）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用符號符號 和和 表示。片上標有表示。片上標有“BY”字樣

8、的為半導字樣的為半導體式應(yīng)變片，梁的頂端裝有一位移平臺，位移平臺體式應(yīng)變片，梁的頂端裝有一位移平臺，位移平臺上方裝有一測微頭，旋動測微頭，可使位移平臺上上方裝有一測微頭，旋動測微頭，可使位移平臺上下位移，使應(yīng)變梁彎曲變形，粘貼在梁上的電阻應(yīng)下位移，使應(yīng)變梁彎曲變形，粘貼在梁上的電阻應(yīng)變片也隨之變形，使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化變片也隨之變形，使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化,將這些應(yīng)變片組成電橋，就可測得應(yīng)變片的電阻值將這些應(yīng)變片組成電橋，就可測得應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生的變化，就可測得應(yīng)變橋路的輸出特性，即電產(chǎn)生的變化，就可測得應(yīng)變橋路的輸出特性，即電橋輸出電壓橋輸出電壓 V(mv)與位移與位移 X(

9、mm)的函數(shù)關(guān)系：的函數(shù)關(guān)系：V=f (x) 本實驗以金屬應(yīng)變梁作為產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體，本實驗以金屬應(yīng)變梁作為產(chǎn)生應(yīng)變的彈性體，應(yīng)變采用雙平行梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)變采用雙平行梁結(jié)構(gòu)，平行梁上梁的上表面和下平行梁上梁的上表面和下梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分梁的下表面對應(yīng)地貼有八片應(yīng)變片，受力工作片分別用符號別用符號 和和 表示。表示。 其中六片為金屬箔式片其中六片為金屬箔式片（BHF-350）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用符號符號 和和 表示。片上標有表示。片上標有“BY”字樣的為半導字樣的為半導體式應(yīng)變片，梁的頂端裝有一位移平臺，位移平臺體式應(yīng)變片，梁的

10、頂端裝有一位移平臺，位移平臺上方裝有一測微頭，旋動測微頭，可使位移平臺上上方裝有一測微頭，旋動測微頭，可使位移平臺上下位移，使應(yīng)變梁彎曲變形，粘貼在梁上的電阻應(yīng)下位移，使應(yīng)變梁彎曲變形，粘貼在梁上的電阻應(yīng)變片也隨之變形，使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化變片也隨之變形，使電阻應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生變化,將這些應(yīng)變片組成電橋，就可測得應(yīng)變片的電阻值將這些應(yīng)變片組成電橋，就可測得應(yīng)變片的電阻值產(chǎn)生的變化，就可測得應(yīng)變橋路的輸出特性，即電產(chǎn)生的變化，就可測得應(yīng)變橋路的輸出特性，即電橋輸出電壓橋輸出電壓 V(mv)與位移與位移 X(mm)的函數(shù)關(guān)系：的函數(shù)關(guān)系：V=f (x)第4頁/共20頁測量電路測量電路 應(yīng)

11、變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相應(yīng)變片測量應(yīng)變是通過敏感柵的電阻相對變化而得到的。對變化而得到的。由于機械應(yīng)變一般都很由于機械應(yīng)變一般都很小小,通常金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)通常金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K也很小也很小，電阻的相對變化也很小的。，電阻的相對變化也很小的。用一般測量用一般測量電阻的儀表很難直接測出來，必須用專門電阻的儀表很難直接測出來，必須用專門的電路來測量這種微弱的電阻變化。同時的電路來測量這種微弱的電阻變化。同時，要把電阻相對的變化，要把電阻相對的變化R/R 轉(zhuǎn)換為電壓或轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此，需要設(shè)計專用的測量電流的變化，因此，需要設(shè)計專用的測量電路，最常用的電路為電橋電

12、路。電路，最常用的電路為電橋電路。第5頁/共20頁直流電橋的電壓輸出直流電橋的電壓輸出 當電橋輸出端接有放大器時當電橋輸出端接有放大器時,由于放大器的輸入阻抗很高由于放大器的輸入阻抗很高, 所以所以, 可以認為電橋的負載可以認為電橋的負載電阻為無窮大電阻為無窮大,這時電橋以電這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為其表達式為 當電橋處于平衡狀態(tài)，電橋各橋臂電阻滿足條當電橋處于平衡狀態(tài)，電橋各橋臂電阻滿足條件件: : R1R3= R2R4 ，此時電橋輸出電壓為零，結(jié)果溫度的影，此時電橋輸出電壓為零，結(jié)果溫度的影響被消除

13、。響被消除。第6頁/共20頁 電橋為單臂工作狀態(tài)，即R1為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當R1感受應(yīng)變產(chǎn)生電阻增量 R1時，由于R1R1，電橋輸出電壓通過對上式微分得 : 由此可知，當電源電壓U和電阻相對變化一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關(guān)。43U0第7頁/共20頁 半橋時，半橋時，R1、R2為應(yīng)變片電阻，若使一個應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變片電阻，若使一個應(yīng)變片受拉，一個受壓，則應(yīng)變符號相反；測試時，將片受拉，一個受壓，則應(yīng)變符號相反；測試時，將兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂上，增量電阻為兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰臂上，增量電阻為R1、R2，R3和和R4為固定為固定電阻電阻R，同理可

14、得：，同理可得：可見半橋的輸出比可見半橋的輸出比單臂電橋增大一倍單臂電橋增大一倍，可提高測量靈敏，可提高測量靈敏度度。R4R3U0第8頁/共20頁全橋時，全橋時，R1 1= = R2 2= = R3 3= = R4 4= = R，都是應(yīng)變片，都是應(yīng)變片，而且，而且R R1 1= =R R3 3= =R R，R R2 2= =R R4 4=-=-R R，此時電，此時電橋電壓輸出為橋電壓輸出為：R4- -R4R3+ +R3第9頁/共20頁四、實驗內(nèi)容及步驟四、實驗內(nèi)容及步驟 1、靈敏度測量、靈敏度測量 2、三種橋路性能比較、三種橋路性能比較步驟：步驟：1）差動放大器調(diào)零：用連線將差）差動放大器調(diào)零

15、：用連線將差動放大器的正（）、負（）、動放大器的正（）、負（）、地短接。將差動放大器的輸出端與地短接。將差動放大器的輸出端與電壓電壓/頻率表的輸入插口頻率表的輸入插口in 相連，相連，電壓電壓/頻率表放在頻率表放在2V檔；開啟電源檔；開啟電源；調(diào)節(jié)差動放大器的；調(diào)節(jié)差動放大器的“差動增益差動增益”到最大位置，然后調(diào)整差動放大器到最大位置，然后調(diào)整差動放大器的的“差動調(diào)零差動調(diào)零”旋鈕使電壓旋鈕使電壓/頻率表顯示為零，關(guān)閉電源。頻率表顯示為零，關(guān)閉電源。注意：一旦調(diào)零后，調(diào)零電位器就不要再動。注意：一旦調(diào)零后，調(diào)零電位器就不要再動。 第10頁/共20頁第11頁/共20頁 以彈性梁的水平狀態(tài)下電路

16、輸出電壓為零為測量以彈性梁的水平狀態(tài)下電路輸出電壓為零為測量起點，轉(zhuǎn)動測微頭，使彈性梁向下彎曲。每向下移動起點，轉(zhuǎn)動測微頭，使彈性梁向下彎曲。每向下移動0.500mm記錄一個差動放大器的輸出電壓，直到向下記錄一個差動放大器的輸出電壓，直到向下移動了移動了5.000mm。記錄數(shù)據(jù)；。記錄數(shù)據(jù)； 將平行式懸臂梁調(diào)至水平（目測）。測微頭起始點的將平行式懸臂梁調(diào)至水平（目測）。測微頭起始點的合適位置是能向上、向下移動合適位置是能向上、向下移動5mm； 根據(jù)圖接線根據(jù)圖接線R2、R3 、 R4 為電橋單元的固定電阻。為電橋單元的固定電阻。R1為應(yīng)變片；將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置為應(yīng)變片；將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)

17、置4V擋，擋，F(xiàn)V表置表置20V 擋。開啟電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的擋。開啟電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的WD,使使FV表顯示為零，等待數(shù)分鐘后將電壓表顯示為零，等待數(shù)分鐘后將電壓/頻率表置頻率表置2V擋，再調(diào)電橋擋，再調(diào)電橋WD（慢慢地調(diào)），使電壓（慢慢地調(diào)），使電壓/頻率表顯頻率表顯示為零。示為零。2 )連接電路連接電路第12頁/共20頁 然后沿反方向轉(zhuǎn)動測微頭至開始輸出電壓為零的測然后沿反方向轉(zhuǎn)動測微頭至開始輸出電壓為零的測量起點處。靜等量起點處。靜等2分鐘后記錄電壓表的讀數(shù)和符號分鐘后記錄電壓表的讀數(shù)和符號.再再次調(diào)節(jié)次調(diào)節(jié)WD使差動放大器的輸出電壓為使差動放大器的輸出電壓為“0”。導線的

18、拔插導線的拔插機械滯后機械滯后 向上轉(zhuǎn)動測微頭，使彈性梁向上彎曲向上轉(zhuǎn)動測微頭，使彈性梁向上彎曲,每向上移每向上移動動0.500mm記錄一次輸出電壓值，直到測微頭向上記錄一次輸出電壓值，直到測微頭向上移動移動5.000mm 。計算應(yīng)變片向下和向上移動時的靈敏度。計算應(yīng)變片向下和向上移動時的靈敏度S=V/X，并畫出向下和向上運動時，并畫出向下和向上運動時V-X關(guān)系曲線關(guān)系曲線。第13頁/共20頁2、三種橋路性能比較、三種橋路性能比較測試半橋電路的性能測試半橋電路的性能 測試全橋電路的性能測試全橋電路的性能 實驗方法和要求：實驗方法和要求： 根據(jù)電子電路知識，實驗前設(shè)計出實驗電路連根據(jù)電子電路知識，實驗前設(shè)計出實驗電路連線圖。線圖。 獨力完成實驗電路連線。獨力完成實驗電路連線。 找出這三種電橋輸出