應(yīng)變片單臂電橋性能實驗

1、周康實驗一應(yīng)變片單臂電橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電 阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈 性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再 通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等， 在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)

2、則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力 作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻 應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為 P時，根據(jù)電阻的定義式得(1 1)當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時，其長度L、截面積A和電阻率p的變化為dL、dA、dp相應(yīng)的電阻變化為dR。對式（1 1）全微分得電阻變化率dR/R為:dr + dpf P(1 2)式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量 l； dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量(1 3)4)2、應(yīng)變靈敏度它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量（1）、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度 K:主要取決于其幾何效應(yīng)；可取(1

3、5)其靈敏度系數(shù)為：護K=金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電 阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在 2左右3 、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變 片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采 用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導(dǎo)體電阻應(yīng) 變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。興本實驗以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬

4、箔制成，如圖1 1所示。(a) 絲 式 應(yīng) 變 片(b) 箔式應(yīng)變片圖 1 1 應(yīng)(a)、單臂Ug Ud-U=(Ri + R) /(Ri + R + F5) R7/(R7 + F6)E= ( R7+ R) ( R + a Ri) R7 (R5+ Ri + Ri)/(民 + Ri + a Ri)(R7+ R ) E設(shè) Ri = R = R5= 2,且厶 Ri / Ri=a R/ RVV 1, R/ R= K, K 為靈敏度系 數(shù)。貝S U尸(1 /4)( R/R)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 /4)K & E(b) 、雙臂(半橋)同理:Uo (1 /2)( R/R)E= (1 /

5、2)K E(C) 、全橋同理:Uo ( R/ R)E= K E6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖 1 3 應(yīng)變片單臂電橋性能實驗原理圖圖中 民、Rj、R為350Q固定電阻，Ri為應(yīng)變片；Rwi和R組成電橋調(diào)平衡 網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源士 4V。橋路輸出電壓Ug (1 /4)( R/R4)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 /4)K E。差動放大器輸出為 Vo。三、需用器件與單元：主機箱中的士 2V 10V(步進可調(diào))直流穩(wěn)壓電源、士15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０濉⑼斜P、砝碼；4?位數(shù)顯萬用表（自備）。四、實驗步驟：應(yīng)變傳感器實驗?zāi)０逭f明：應(yīng)變傳感器實驗?zāi)０逵蓱?yīng)變式雙孔懸

6、臂梁載 荷傳感器（稱重傳感器）、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應(yīng)變片測量 電路、差動放大器組成。實驗?zāi)０逯械?R1（傳感器的左下）、R2（傳感器的右 下）、R3（傳感器的右上）、R4（傳感器的左上）為稱重傳感器上的應(yīng)變片輸出 口；沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電 橋模型是為電路初學(xué)者組成電橋接線方便而設(shè)；F5、F6、R7是350Q固定電阻，是為應(yīng)變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設(shè)的其它橋臂電阻。力口 熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應(yīng)變片溫度影響實驗時用。 多芯插頭是振動源的振動梁上的應(yīng)變片輸入口，做應(yīng)變片測量振動實驗時 用。1、將托盤安裝到傳

7、感器上，如圖1 4所示圖14 傳感器托盤安裝示意圖2、測量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤上無重物時，分別測量應(yīng)變片R1、R2 R3 R4的阻值。在傳感器的托盤上放置 10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3 R4的阻值變化，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變 片：阻值變小。）。圖15測量應(yīng)變片的阻值示意圖3、實驗?zāi)０逯械牟顒臃糯笃髡{(diào)零：按圖1 6示意接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增 益電位器RW3合適位置（先順時針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時針回轉(zhuǎn) 1圈）后，再調(diào) 節(jié)實驗?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器 Rw4使電壓表顯示為零。圖

8、1 6差動放在器調(diào)零接線示意圖表1應(yīng)變片單臂電橋性能實驗數(shù)據(jù)重量（g）020406080100120140160電壓（mV）00.2-4.4-9.1-13.8-18.6-23.5-23.7-285、根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線并計算系統(tǒng)靈敏度 S=a V/ W（a V輸出電壓 變化量， W重量變化量）和非線性誤差5,5 =Am/yFS X 100%式中 m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g。實驗完畢，關(guān)閉電源。一、數(shù)據(jù)分析：1根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通過計算，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)和畫出了最小二乘擬合曲線2. 計算靈敏度S=A U/ W U=-5.3mv W=20

9、g： S=-0.192S = m/yFsX 100%=2.063/-28 X 100%=7.36%3. 問題與討論：分析實驗的不足之處以及如何改進，回答實驗手冊文檔上的思考題1. 在實驗中，調(diào)零可能會有誤差2. 稱量時，會有人為的因素在里面，會導(dǎo)致誤差實驗二應(yīng)變片半橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）工作特點及性能。掌握測量方法。二、 基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實驗一。應(yīng)變片半橋特性實驗原理如圖21所示。不同應(yīng)力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓 Uo- （1 /2）（ R/R）E= （1 /2）K E。圖2 1應(yīng)變片半橋特性實驗原理圖

10、三、需用器件與單元：主機箱中的士 2V 10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、士15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、砝碼。四、實驗步驟：1、按實驗一（單臂電橋性能實驗）中的步驟 1和步驟3實驗。2 、關(guān)閉主機箱電源，除將圖17改成圖22示意圖接線外，其它按實驗一中的步驟4實驗。讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，填入表 2中應(yīng)變片半橋?qū)嶒灲泳€示意圖表2應(yīng)變片半橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)重量(g)020406080100120140160180電壓-0.8.919.25.36.44.54.64.75.85.(mV)3083879559.219.25.36.45.56.65.76.85.0.1316203573

11、、根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線。實驗完畢，關(guān)閉電源。五、思考題：半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)放在：答:在臨邊。因為在臨邊時沖點的電位變化的才能和另外的參考點進行比較 ， 如果不在臨邊，也就會出現(xiàn)當(dāng)兩個應(yīng)變片都發(fā)生變化時，與他們對應(yīng)電阻的電位差可能會 出現(xiàn)0的情況.實驗三應(yīng)變片全橋性能實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片全橋工作特點及性能。二、 基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實驗一。應(yīng)變片全橋特性實驗原理如圖31所示。應(yīng)變片全橋測量電路中，將應(yīng)力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，相反的?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：R = F2= R3= R4,其變化值 R = AR2=aR3

12、=a F4時，其橋路輸出電壓 Ug （ R/R）E= K E。其輸 出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。圖3 1應(yīng)變片全橋特性實驗接線示意圖三、需用器件和單元：主機箱中的士 2V 10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、士 15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、砝碼。四、實驗步驟：實驗步驟與方法（除了按圖 32示意接線外）參照實驗二，將實驗數(shù)據(jù)填入表3作出實驗曲線并進行靈敏度和非線性誤差計算。實驗完畢，關(guān)閉 電源。VI主機箱:乏流椅壓電旁 & 333 應(yīng)變傳感器實驗検板國 3 O4丁刃-LET T應(yīng)吏片U啓電壓我圖32應(yīng)變片全橋性能實驗接線示意圖表3全橋性能實驗數(shù)據(jù) 根據(jù)表3

13、實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線。五、思考題：測量中，當(dāng)兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值 R相同時，即R1= R3,R2= R4,而R1MR2時，是否可以組成全橋：答：可以的當(dāng)兩對邊電阻相等時，電橋平衡.實驗五 應(yīng)變片直流全橋的應(yīng)用一電子秤實驗一、實驗?zāi)康模?了解應(yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標定。二、基本原理： 常用的稱重傳感器就是應(yīng)用了箔式應(yīng)變片及其全橋測量電路。 數(shù)字電子秤實驗原理如圖 51。本實驗只做放大器輸出 Vo 實驗，通過對電 路的標定使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始電子秤。圖 51 數(shù)字電子稱原理框圖三、需用器件與單元：主機箱中的士 2V士 10

14、V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、士15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、砝碼。四、實驗步驟：1、按實驗一中的 1 和 3 步驟實驗。2、關(guān)閉主機箱電源，按圖 32 （應(yīng)變片全橋性能實驗接線示意圖）示 意接線，將士 2V 10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到士 4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關(guān)， 調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄?Rw,使主機箱電壓表顯示為零；3、 將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器罰（增益即滿 量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為 0.200V（2V 檔測量 ） 。4、拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器 Rw4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示 為 0.000V。5、重復(fù)3、4步驟的標

15、定過程，一直到精確為止，把電壓量綱 V改為重 量綱g,將砝碼依次放在托盤上稱重；放上筆、鑰匙之類的小東西稱一下重 量。實驗完畢，關(guān)閉電源。五、實驗數(shù)據(jù)六、實驗分析1 .根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制傳感器的特性曲線2. 分析什么因素會導(dǎo)致電子秤的非線性誤差增大，怎么消除，若要增 加輸出靈敏度，應(yīng)采取哪些措施。答：環(huán)境因素和實驗器材的校正不準會導(dǎo)致非線性誤差增大。通過多次校正，調(diào)節(jié)變位器可消除或減少誤差。 若要增加輸出靈敏度可增加相形放大 電路實驗九壓阻式壓力傳感器壓力實驗一、實驗?zāi)康牧私鈹U散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理與方法。二、實驗儀器壓力傳感器、氣室、氣壓表、差動放大器、電壓放大器、電壓溫度頻率

16、表三、實驗原理在具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體材料上用擴散或離子注入法，可以制備各種壓力傳感器。摩托羅拉公司設(shè)計出 X形硅壓力傳感器，如圖7-1所示，在單晶 硅膜片表面形成4個阻值相等的電阻條。將它們連接成惠斯通電橋，電橋電 源端和輸出端引出，用制造集成電路的方法圭寸裝起來，制成擴散硅壓阻式壓 力傳感器。擴散硅壓力傳感器的工作原理如圖 7-1，在X形硅壓力傳感器的一個方 向上加偏置電壓形成電流i，當(dāng)敏感芯片沒有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于 平衡狀態(tài)，當(dāng)有剪切力作用時（本實驗采用改變氣室內(nèi)的壓強的方法改變剪切力的大?。诖怪庇陔娏鞣较?qū)a(chǎn)生電場變化 Ei，該電場的變化引起電位變化，貝S在與電流方向垂直的

17、兩側(cè)得到輸出電壓UQUO d E d i（7-1 ）式中d為元件兩端距離。實驗接線圖如圖7-2所示，MPX1（有4個引出腳，1腳接地、2腳為Uo+、 3腳接+5V電源、4腳為Uo-;當(dāng)P1P2時，輸出為正；PKP2時，輸出為負 （P1與P2為傳感器的兩個氣壓輸入端所產(chǎn)生的壓強）。圖7-1擴散硅壓力傳感器原理圖圖7-2擴散硅壓力傳感器接線圖四、實驗內(nèi)容與步驟1 按圖7-2接好“差動放大器”與“電壓放大器”，“電壓放大器”輸 出端接電壓溫度頻率表（選擇U, 20V檔），打開直流電源開關(guān)。（將“220V 直流穩(wěn)壓電源”輸出調(diào)為5V）2調(diào)節(jié)“差動放大器”與“電壓放大器”的增益調(diào)節(jié)電位器到中間位置 并保

18、持不動，用導(dǎo)線將“差動放大器”的輸入端短接，然后調(diào)節(jié)調(diào)零電位器 使電壓溫度頻率表顯示為零。3. 取下短路導(dǎo)線，并按圖7-2連接“壓力傳感器”。4. 氣室的活塞退回到刻度“ 17”的小孔后，使氣室的壓力相對大氣壓均 為0,氣壓計指在“零”刻度處，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使電壓溫度頻率表顯示為 零。增大輸入壓力到0.005MPa每隔0.005Mpa記下“電壓放大器”輸出的 電壓值U。直到壓強達到0.1Mpa;填入下表。表7-1P5101520253035404550U(V)-0.4-0.5-0.6-0.7-0.8-0.9-1.0-1.0-1.1-1.23665502786P55606570758085909

19、5丁100U(V)-1.3-1.3-1.4-1.5-1.5-1.6-1.7-1.7-1.8-1.929736635405.實驗結(jié)束后，關(guān)閉實驗臺電源，整理好實驗設(shè)備五、實驗報告根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，計算壓力傳感器輸入一輸出（P U）曲線，并計算其線 性度。實驗一、差動變壓器性能試驗一、實驗?zāi)康模毫私獠顒幼儔浩鞯墓ぷ髟砗吞匦远?、基本原理：差動變壓器由一只初級線圈和兩只次級線圈 及一個鐵芯組成,根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和二段式，本實驗米用二段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)差動 變壓器隨著被測體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化。三、需用器件與單元：主機箱中的士 15V直

20、流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器；差動變壓器、差動變壓器實驗?zāi)０?、測微頭、雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、將差動變壓器和測微頭安裝在實驗?zāi)０宓闹ё?、接線，如圖所示3、松開測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使得示波器的第二通道顯示的波形 Vp-p為較小值，擰緊緊固螺釘，仔細調(diào)節(jié)測微 頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形Vp-p為最小值（零點殘余電壓）并定為位移的相對零點。4. 將實驗數(shù)據(jù)記錄在表中，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出 Vp-p X曲線，做出位移為土 1mm、土 3mm的靈敏度和非線性誤差五、實驗數(shù)據(jù)：X (mm)0.10.30.50.70.91.11.31.51.71.9V (mv)2582352232

21、05196168163150136124X (mm)2.12.32.52.72.9V (mv)10490837167六、數(shù)據(jù)分析：1由實驗數(shù)據(jù)得到Vp-pX曲線2.靈敏度 S= -66.044mv/mm當(dāng)X= 士 1mm時(1) X=1 時，y=-66+252=186mv(2) X=-1 時，y=66+252=318mv當(dāng)x= 士 3mm時(1) x=3mm 時，y=-198+256=54mv(2) x=-3mm 時 y=198+256=450mv六、問題與討論： 用直流電壓會損壞傳感器嗎？為什么？答：會的。只要是電感都不能隨便接到直流電壓上的實驗十六、電容式傳感器位移特性實驗一、實驗?zāi)康牧私?/p>

22、電容傳感器的結(jié)構(gòu)及特點。二、實驗儀器電容傳感器、電容變換器、測微頭、電壓溫度頻率表三、實驗原理電容式傳感器是指能將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳 感器它實質(zhì)上是具有一個可變參數(shù)的電容器。利用平板電容器原理：c蟲（9-1）d d式中，S為極板面積，d為極板間距離， 0為真空介電常數(shù)， r為介質(zhì) 相對介電常數(shù)，由此可以看出當(dāng)被測物理量使 S、d或發(fā)生變化時，電容 量C隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變另一參數(shù)，就可以 將該參數(shù)的變化單值地轉(zhuǎn)換為電容量的變化。所以電容傳感器可以分為三種類型：改變極間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介電常數(shù) 的變介電常數(shù)式。這里采用變

23、面積式，如圖9-1，兩只平板電容器共享一個下極板，當(dāng)下極板隨被測物體移動時，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大，一只減小，將三個極板用導(dǎo)線引出，形成差動電容輸出。通過處理電 路將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，進行測量。圖9-1電容傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖四、實驗內(nèi)容與步驟1. 電容傳感器已經(jīng)按圖9-2安裝在實驗臺。圖9-2電容傳感器安裝示意圖圖9-3電容傳感器接線圖2. 將底面板上“電容傳感器”與“電容變換器”相連，“電容變換器” 的輸出接到電壓溫度頻率表（選擇 U）。（注：此處應(yīng)選用三根相同長度的 實驗導(dǎo)線，而且越短越好。）3. 打開“直流電源”開關(guān)。調(diào)節(jié)“電容變換器”的增益調(diào)節(jié)電位器到中間位置，調(diào)節(jié)螺旋測微器使得電壓溫度頻率表顯示為0。（增益調(diào)節(jié)電位器確定后不能改動）4. 調(diào)節(jié)螺旋測微器推進電容傳感器的中間極板（內(nèi)極板）上下移動，每 隔0.2mm將位移值與電壓溫度頻率表的讀數(shù)填入表 9-1。表9-1X(mm)-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8U (V)-39-28-19-908182839