北航傳感器技術與測試系統(tǒng)實驗二――溫度傳感器測量原理實驗

1、 應變傳感器測量原理實驗 一、 實驗目的 1. 了解箔式應變片的結構及粘貼方式 2. 掌握使用電橋電路對應變片進行信號調理的原理和方法 3. 掌握使用應變片設計電子秤的原理 4. 掌握應變片的溫度補償?shù)脑砗头椒?二、 實驗原理（用自己的話總結） 1. 應變片測量原理 應變片的阻值隨著應變的變化而變化， 從而可以轉化為電壓的變化。 因此將應變片 貼在梁上發(fā)生應變的地方，就可以通過輸出電壓的變化來反映該處的應變量。 2. 應變電橋原理 若直流電橋的橋臂四個電阻分別為R1、R2、R3、R4，則其平衡條件為R1R4=R2R3， 當其中一個或者兩個、四個電阻變化時，其輸出電壓也隨之改變，故可以通過電橋

2、的輸 出電壓來反映電阻的變化量。 3. 稱重原理 將四個應變片貼在懸臂梁上（上下各兩個，對稱分布），在懸臂梁的自由端通過加 所測砝碼來施加向下的外力，造成梁受彎，產生彎曲應變，上測應變片電阻值增加，下 測應變片電阻值減小， 將四個應變片接為全橋電路， 因此可以通過輸出電壓的變化量來 求出應變值，再由施加外力與應變的關系式可以求得外力，進而求得所測砝碼的重量。 4. 溫補原理 當應變片所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時，其阻值也會相應的改變。若原測量電橋為1/4 橋，則會產生較大的誤差，此時在其相鄰橋臂再加一個相同的應變片作為溫度補償片。 溫度補償片并不受力，無變形，當環(huán)境溫度變化時，兩個應變片均會由于溫度

3、的變化產 生相應的阻值改變， 從而進行補償以減小溫度變化所帶來的誤差， 也可以直接通過全橋 來減小此誤差。 三 實驗內容 1 測試應變稱重電路的靜態(tài)指標。 2 了解溫度變化對應變測量系統(tǒng)的影響，學習溫度補償?shù)姆椒ā?實驗問題思考： （1）實驗中溫度補償?shù)脑怼?（2）通過實驗思考影響應變片測量精度的因素。 四 實驗儀器 直流穩(wěn)壓電源（±4V、±12V） ，應變式傳感器實驗模塊，雙孔懸臂梁稱重傳感器，稱重 砝碼（20 克/個） ，數(shù)字萬用表（可測溫） 。 五 實驗步驟 （1）觀察稱重傳感器彈性體結構及傳感器粘貼位置，將三芯電纜供電線一端與應變式 傳感器實驗模塊相連，另一端與主

4、機實驗電源相連 （2） 將差動放大器增益置于最大位置 （順時針方向旋到底） ， 差動放大器的“+”“-” 輸入端接地。輸出端接電壓表200mV檔。開啟主機電源，用調零電位器調整差動放大器輸出 電壓為零，然后拔掉實驗線，調零后模塊上的“增益、調零”電位器均不應再變動。 （3）按圖2.12將所需實驗部件連接成測試橋路（全橋接法），圖中R1、R2、R3和R均 為應變計（可任選雙孔懸臂梁上的一個應變片），圖中每兩個節(jié)之間可理解為一根實驗連接 線，注意連接方式，勿使直流激勵電源短路。（±4V采用主機電源上的+V0和-V0）。 圖2.12測試電橋連接電路 （4）開啟微機電源，調節(jié)電橋WD調零電位

5、器使無負載時的稱重傳感器輸出為零。 （5）逐一將砝碼放上傳感器稱重平臺（共9個砝碼），調節(jié)增益電位器，使VOUT端輸 出電壓與所稱重量成一比例關系，記錄W（克）與V（mV）的對應值，并將記錄數(shù)據(jù)（按 靜態(tài)標定步驟進行正反三次循環(huán)）。 （6）做出V-W曲線。 （7）用可測溫度的萬用表測出環(huán)境溫度大小，并記錄。 （8）開啟“應變加熱”電源，觀察電橋輸出電壓隨溫度升高而發(fā)生的變化，待加熱溫 度達到一個相對穩(wěn)定值后（加熱器加熱溫度約高于環(huán)境溫度30），記錄VOUT端輸出電壓 值，用可測溫度的萬用表測出孔懸臂梁上的溫度，并求出大致的溫飄V/T，然后關閉加 熱電源，待其冷卻。記錄數(shù)據(jù)。 （9）將圖2.12

6、中電阻R2換成一片與應變片在同一應變梁上的補償應變片，重新調整系 統(tǒng)輸出為零。 （10）開啟“應變加熱”電源，觀察經過補償?shù)碾姌蜉敵鲭妷旱淖兓闆r，按照表2的 形式記錄數(shù)據(jù)， 并求出溫漂， 然后與未進行補償時的電路進行比較， 用文字說明比較的結果。 六 數(shù)據(jù)處理 1. 稱重實驗記錄表 增加砝碼過程 W/克 V1/mV W/克 V1/mV 0 -3 180 260 20 21 160 231 40 54 140 201 60 82 120 171 80 107 100 140 100 137 80 111 120 169 60 81 140 198 40 51 160 230 20 21 180

7、 260 0 -13 減少砝碼過程 增加砝碼過程 W/克 V1/mV W/克 V1/mV 0 -13 180 244 20 23 160 215 40 67 140 186 60 93 120 157 80 102 100 127 100 132 80 97 120 159 60 67 140 189 40 37 160 219 20 7 180 244 0 -23 減少砝碼過程 增加砝碼過程 W/克 V1/mV W/克 V1/mV 0 -3 180 267 20 29 160 235 40 55 140 202 60 85 120 171 80 115 100 139 100 146 80

8、107 120 175 60 77 140 205 40 48 160 237 20 17 180 267 0 -13 減少砝碼過程 2. 應變片溫度效應數(shù)據(jù)記錄表 加熱前 溫度/ 電壓/mV 19 0.4 溫度穩(wěn)定后 48 7.2 DV / DT = 0.234mv / °C 3. 加溫度補償片后輸出電壓隨溫度變化記錄表 加熱前 溫度/ 電壓/mV 20 0.4 溫度穩(wěn)定后 48 1.8 DV / DT = 0.05mv / °C 4. 實驗滯回曲線 300.00 250.00 正行程輸出電壓 200.00 150.00 100.00 u = 1.5162m - 15.8

9、55 50.00 0.00 0 -50.00 50 100 150 200 反行程輸出電壓 平均輸出電壓 線性 (反行程輸出電 壓 5. 計算靜態(tài)特性指標（各指標單位均為mv） 靜態(tài)靈敏度S = dy / dx = 1.5162mv / g yFS = B( xmax - xmin = 1.5162 ´ (180 - 0 = 272.916mv 遲滯誤差xH = (DyH max / (2 yFS ´100% = 13.33 ¸ 2 ¸ 272.916 ´100% = 2.44% 非線性遲滯誤差xLH =(DyLH max / yFS 

10、0;100% = 13.87 ¸ 272.916 ´100% = 5.08% 標準偏差s = max(sui , sdi = 12.04 重復性指標xR = 3s / yFS ´100% = 3´12.04 ¸ 272.916 ´100% = 13.23% 計算過程如下表所示 m/g 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 yi 理論 -15.855 14.469 44.793 75.117 105.441 135.765 166.089 196.413 226.737 257.061 y ui y di

11、Dyi , H -6.33 -16.33 10.00 24.33 15.00 9.33 58.67 45.33 13.33 86.67 75.00 11.67 108.00 105.00 3.00 138.33 135.33 3.00 167.67 166.33 1.33 197.33 196.33 1.00 228.67 227.00 1.67 257.00 257.00 0.00 xH yi Dyi,LH -11.33 xH = (DyH max / (2 yFS ´100% = 13.33 ¸ 2 ¸ 272.916 ´100% = 2.44% 1

12、9.67 52.00 80.83 106.50 136.83 167.00 196.83 227.83 257.00 9.52 9.86 13.87 11.55 2.56 2.57 1.58 0.92 1.93 0.06 x LH Wui 10 5.24 10 5.24 8 4.19 14 7.33 xLH =(DyLH max / yFS ´100% = 13.87 ¸ 272.916 ´100% = 5.08% 13 6.81 14 7.33 11 5.76 14 7.33 13 6.81 14 7.33 14 7.33 13 6.81 16 8.38 14 7.33 16 8.38 16 8.38 18 9.42 20 10.47 23 12.04 23 12.04 sui Wdi sdi S s = max(sui , sdi = 12.04 xR xR = 3s / yFS ´100% = 3´12.04 ¸ 272.916 ´100% = 13.23% 七 實驗現(xiàn)象分析總結 本實驗選用的是標準