北航傳感器技術(shù)與測試系統(tǒng)實驗二――溫度傳感器測量原理實驗

1、 應(yīng)變傳感器測量原理實驗 一、 實驗?zāi)康?1. 了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式 2. 掌握使用電橋電路對應(yīng)變片進行信號調(diào)理的原理和方法 3. 掌握使用應(yīng)變片設(shè)計電子秤的原理 4. 掌握應(yīng)變片的溫度補償?shù)脑砗头椒?二、 實驗原理（用自己的話總結(jié)） 1. 應(yīng)變片測量原理 應(yīng)變片的阻值隨著應(yīng)變的變化而變化， 從而可以轉(zhuǎn)化為電壓的變化。 因此將應(yīng)變片 貼在梁上發(fā)生應(yīng)變的地方，就可以通過輸出電壓的變化來反映該處的應(yīng)變量。 2. 應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生彎曲應(yīng)變，上測應(yīng)變片電阻值增加，下 測應(yīng)變片電阻值減小， 將四個應(yīng)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(yīng)變值，再由施加外力與應(yīng)變的關(guān)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(yīng)變片所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時，其阻值也會相應(yīng)的改變。若原測量電橋為1/4 橋，則會產(chǎn)生較大的誤差，此時在其相鄰橋臂再加一個相同的應(yīng)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(yīng)變片均會由于溫度

3、的變化產(chǎn) 生相應(yīng)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(nèi)容 1 測試應(yīng)變稱重電路的靜態(tài)指標。 2 了解溫度變化對應(yīng)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(yīng)變片測量精度的因素。 四 實驗儀器 直流穩(wěn)壓電源（±4V、±12V） ，應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)K，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(jié)構(gòu)及傳感器粘貼位置，將三芯電纜供電線一端與應(yīng)變式 傳感器實驗?zāi)K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(diào)零電位器調(diào)整差動放大器輸出 電壓為零，然后拔掉實驗線，調(diào)零后模塊上的“增益、調(diào)零”電位器均不應(yīng)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(yīng)變計（可任選雙孔懸臂梁上的一個應(yīng)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(diào)節(jié)電橋WD調(diào)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(diào)節(jié)增益電位器，使VOUT端輸 出電壓與所稱重量成一比例關(guān)系，記錄W（克）與V（mV）的對應(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)變片在同一應(yīng)變梁上的補償應(yīng)變片，重新調(diào)整系 統(tǒng)輸出為零。 （10）開啟“應(yīng)變加熱”電源，觀察經(jīng)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(jié)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(yīng)變片溫度效應(yīng)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(fù)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(jié) 本實驗選用的是標準