應(yīng)變片單臂特性試驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變片單臂特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?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(cè)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(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)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)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料

2、在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)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(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為p時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得口LL五二9;二P工小尸（11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)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dRo對(duì)式（11）全微分得電阻變化率dR/R為：dRdL.drdp?一+-R匚11（12）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)變量由材料力學(xué)得：£L=-£r（13）式中：科為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相

3、反。將式（13）代入式（12）得：，楊）一絲Rp式（14）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。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(duì)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dR(15)其靈敏度系數(shù)為：K=二然金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)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。（2）、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R<=dp?p。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。

4、在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。且不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，可正可負(fù)，與材料性質(zhì)和應(yīng)變方向有關(guān)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200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

5、硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。*本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)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箔制成，如圖11所示。（a）絲式應(yīng)變片（b）箔式應(yīng)變片圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：R=Ke式中：R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，£=AL/L為

6、電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。5、測(cè)量電路為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號(hào)最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號(hào)一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D12（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂（b）半橋（c）全橋圖12應(yīng)變片測(cè)量電路(a)、單臂

7、Uo=UD-U®=(R4+R4)/(R4+R+RS)R1/(R1+R2)E=(R1+R2)(F4+AR4)R1(R3+F4+AR4)/(R3+R4+%)(R1+R2)E設(shè)R1=R2=R3=F4,且R/%：AR/RV<1,RXR=Ke。則Uo=(1/4)(R4/R4)E=(1/4)(ARZR)E=(1/4)KeE(b)、雙臂(半橋)同理：Uo=(1/2)(R)E=(1/2)KeE(C)、全橋同理:Uo(AR/R)E=KeE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖差動(dòng)抽K溫E+4V0-圖13應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖圖中R1、R2、R3為350固定電阻，R4為應(yīng)變片；W1和r組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)

8、絡(luò)，供橋電源直流士4V。橋路輸出電壓Ug(1/4)(R4/R4)E=(1/4)(AR/R)E=(1/4)K£E。三、需用器件與單元：機(jī)頭中的應(yīng)變梁的應(yīng)變片、測(cè)微頭；顯示面板中的F/V表(或電壓表)、土2V土10V步進(jìn)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片、調(diào)理電路單元中的電橋、差動(dòng)放大器；4位數(shù)顯萬用表(自備)四、需用器件與單元介紹：1、圖14調(diào)理電路面板中的電橋單元。圖中：菱形虛框?yàn)闊o實(shí)體的電橋模型(為實(shí)驗(yàn)者組橋參考而設(shè)，無其它實(shí)際意義)。R1=R=R3=350Q是固定電阻，為組成單臂應(yīng)變和半橋應(yīng)變而配備的其它橋臂電阻。W電位器、r電阻為電橋直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)，

9、W2電位器、C電容為電橋交流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)。圖14電橋面板圖2、圖15為差動(dòng)放大器原理圖與調(diào)理電路中的差動(dòng)放大器單元面板圖。圖15差動(dòng)放大器原理與面板圖圖中：左圖是原理圖，A是差動(dòng)輸入的放大器；右圖為面板圖。*3、附：測(cè)微頭的組成與使用:測(cè)微頭組成和讀數(shù)如下圖16所示。圖16測(cè)位頭組成與讀數(shù)測(cè)微頭組成：測(cè)微頭由不可動(dòng)部分中的安裝套（應(yīng)變梁的測(cè)微頭無安裝套）、軸套和可動(dòng)部分中的測(cè)桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測(cè)微頭讀數(shù)與使用：測(cè)微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線（1mm/格），另一排是半毫米刻線（0.5mm/格）；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線（

10、0.01mm/格）。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時(shí)，測(cè)桿就沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測(cè)桿沿軸方向移動(dòng)微小位移0.01毫米，這也叫測(cè)微頭的分度值。測(cè)微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對(duì)準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀1/10分度，如圖16甲讀數(shù)為3.678mm,不是3.178mm;遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時(shí)，應(yīng)看微分筒的示值是否過零，如圖16乙已過零則讀2.514mm;如圖16丙未過零，則不應(yīng)讀為2mm,讀數(shù)應(yīng)為1.980mm。測(cè)微頭使用：測(cè)微頭在實(shí)驗(yàn)中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測(cè)微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒到10mm處（為了保留

11、測(cè)桿軸向前、后位移的余量），再將測(cè)微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套（測(cè)微頭整體移動(dòng)）使測(cè)桿與被測(cè)體連接并使被測(cè)體處于合適位置（視具體實(shí)驗(yàn)而定）時(shí)再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒時(shí)，被測(cè)體就會(huì)隨測(cè)桿而位移。五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、在應(yīng)變梁自然狀態(tài)（不受力）的情況下，用4；位數(shù)顯萬用表2k電阻檔測(cè)量所有應(yīng)變片阻值；在應(yīng)變梁受力狀態(tài)（用手壓、提梁的自由端）的情況下，測(cè)應(yīng)變片阻值，觀察一下應(yīng)變片阻值變化情況（標(biāo)有上下箭頭的4片應(yīng)變片縱向受力阻值有變化；標(biāo)有左右箭頭的2片應(yīng)變片橫向不受力阻值無變化，是溫度補(bǔ)償片）。如下圖17所示。圖17觀察應(yīng)變片阻值變化情況示意

12、圖2、差動(dòng)放大器調(diào)零點(diǎn)：按下圖18示意接線。將F/V表（或電壓表）的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上主、副電源開關(guān)，將差動(dòng)放大器的增益電位器按順時(shí)針方向輕輕轉(zhuǎn)到底后再逆向回轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)（放大器的增益為最大，回轉(zhuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)的目的：電位器觸點(diǎn)在根部估計(jì)會(huì)接觸不良），調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動(dòng)放大器的零點(diǎn)調(diào)節(jié)完成，關(guān)閉主電源。圖18差放調(diào)零接線圖20KHeSOOrtV巾界切換JI關(guān)3、應(yīng)變片單臂電橋特性實(shí)驗(yàn):將士2V土10V步進(jìn)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源切換到4V檔,將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片（標(biāo)有上下箭頭的4片應(yīng)變片中任意一片為工作片）與電橋單元中R1、R2、卬組成電橋電路，電橋

13、的一對(duì)角接土4V直流電源，另一對(duì)角作為電橋的輸出接差動(dòng)放大器的二輸入端，將W電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中（W1電位器二固定端接電橋的土4V電源端、W1的活動(dòng)端r電阻接電橋的輸出端），如圖19示意接線（粗細(xì)曲線為連接線）。；!丁aB曾尸中小增益中巧二*判恪圖19應(yīng)變片單臂電橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖與接線示意圖檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，當(dāng)機(jī)頭上應(yīng)變梁自由端的測(cè)微頭離開自由端（梁處于自然狀態(tài)，圖17機(jī)頭所示）時(shí)調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0。10mm£右（測(cè)在測(cè)微頭吸合梁的自由端前調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒，使測(cè)微頭的讀數(shù)為微頭微分筒的0刻度線與測(cè)微頭軸套的

14、10mmJ度線對(duì)準(zhǔn)）；再松開測(cè)微頭支架軸套的緊固螺同時(shí)觀察電壓表顯示絕對(duì)值盡量釘，調(diào)節(jié)測(cè)微頭支架高度使梁吸合后進(jìn)一步調(diào)節(jié)支架高度,為最小時(shí)固定測(cè)微頭支架高度（擰緊緊固螺釘，圖19機(jī)頭所示）。仔細(xì)微調(diào)測(cè)微頭的微分筒使電壓表顯示值為0（梁不受力處于自然狀態(tài)），這時(shí)的測(cè)微頭刻度線位置作為梁位移的相對(duì)0位位移點(diǎn)。首先確定某個(gè)方向位移，以后每調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒一周產(chǎn)生0.5mm位移，根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次增加0.5mm并讀取相應(yīng)的電壓值填入表1中；然后反方向調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒使電壓表顯示0V（這時(shí)測(cè)微頭微分筒的刻度線不在原來的0位位移點(diǎn)位置上，是由于測(cè)微頭存在機(jī)械回程差，以電壓表的0V為標(biāo)準(zhǔn)作為0位位移點(diǎn)并取固定的相對(duì)位移4X消除了機(jī)械回程差），再根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次反方向增加0.5mm并讀取相應(yīng)的電壓值填入表1中。*注：調(diào)節(jié)測(cè)微頭要仔細(xì)，微分筒每轉(zhuǎn)一周X=0.5mm如調(diào)節(jié)過量再回調(diào)，則產(chǎn)生回程差。表1應(yīng)變片單臂電橋特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：位移（mm）-8.0,-1.0-0.50+0.5+1.0,+8.0電壓（mV）根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實(shí)驗(yàn)曲線并計(jì)算靈敏度S=AV/AX（V輸出電壓