實驗一-應(yīng)變式傳感器

1、 實驗應(yīng)變式傳感器實驗一應(yīng)變式傳感器一、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

2、效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導體或半導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(11)當導體因某種原因產(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（11）全微分得電阻變化率dR/R為:式中：dL/L為導體的軸向應(yīng)變量吒;dr/r為導(12)體的橫向應(yīng)變量牛由材料力學得：(13)式中：口為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0305左右；負號表示兩者的變化方向相反。將式（13）代入式（12）得:dR（1十細

3、）(14)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)生的電阻的相對變化量。(1)、金屬導體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取(15)其靈敏度系數(shù)為:K=金屬導體在受到應(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。金屬導體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。(2)、半導體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/Rvdpp半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半

4、導體的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應(yīng)。不同材質(zhì)的半導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（使電阻減小）的壓阻效應(yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。半導體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，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體電阻應(yīng)變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式

5、（壓阻效應(yīng)）傳感器。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箔制成，如圖11所示。I.趴戍戲延葩找匸(b)箔式應(yīng)變片圖1一1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)生機械變形時，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/R=K式中：RAA/R為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù),&=L/L為電阻絲長度相對變化。A5、測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，

6、在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測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，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差;雙臂輸岀是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作。基本電路如圖12(a)、(b)、(c)所示。J3EE(b)半(a)單臂(c)全橋圖12應(yīng)變片測量電路、單臂Uo=U_U=(RR)(RRR)_R(RR)11115776E=(R+R)(R+R)_

7、R(R+R+R)76117511/(R+R+R)(R+R)E51176設(shè)R=R=R=R,且R/R=R/RVV1,1567I1AAR/R=Ke,K為靈敏度系數(shù)。則Uo(1/4)(R/R)E=(1/4)(R/R)E=11(1/4)KeE、雙臂(半橋)同理:Uo(1/2)(R/R)E=(1/2)KeE(0、全橋同理:Uo(R/R)E=KE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖13應(yīng)變片單臂電橋性能實驗原理圖圖中R、R、R為350Q固定電阻，R為應(yīng)變片;TOC o 1-5 h z5671R和R組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，為供橋電源4V。W18橋路輸岀電壓Uo（1/4）（R/R）E=（1/4）（44R/R）E=（1

8、/4）KE。差動放大器輸出為Vo。（三）、需用器件與單元：主機箱中的土2V土10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、土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、祛碼;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逯械腞1（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者組成電橋接線方便而設(shè)；R、5R、R是350Q固定電阻，是為應(yīng)變片組成

9、單臂67電橋、雙臂電橋（半橋）而設(shè)的其它橋臂電阻。加熱器+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、將托盤安裝到傳感器上，如圖14所示。圖14傳感器托盤安裝示意圖2、測量應(yīng)變片的阻值：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應(yīng)變片Rl、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只祛碼后再分別測量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。）。I-:咸變傳感器實驗?zāi)０?：.-：導；;.匕討去.：凸I,：出+15V:1IP.I:;円廠1-1禹、卜-

10、E+E應(yīng)變片圖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16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R合適位W3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R，W4使電壓表顯示為零。RR.3Ej嗣IIL直流穩(wěn)壓電源護：-l：r17；16差動放在器調(diào)零接線示圖3H.K.S.zOO-L5V+-?O|電壓表4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灒宏P(guān)閉主機箱電源，按圖17示意圖接線，將土2V土10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到土4V檔。檢査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鱎,使主機

11、箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤W1上依次增加放置一只20g砝碼（盡量靠近托盤的中心點放置），讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。47土;卩直流穩(wěn)壓電源士叩7丄*期|+1ET圖17應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灲泳€示意圖表1應(yīng)變片單臂電橋性能實驗數(shù)據(jù)AAm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。二、應(yīng)變片半橋性能實驗（-）、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）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

12、橋路輸出電壓Uo(1/2)(R/R)E=(1/2)KE。特性實驗原理圖（三）、需用器件與單元：主機箱中的土2V土10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、土15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、祛碼。（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。q士：i-SJ電u：o亠十u_Lm表2應(yīng)變片半橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)閉電源。圖22應(yīng)變片半橋?qū)嶒灲泳€示意圖（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：（1）對邊（2）鄰邊。三、應(yīng)變片全

13、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。當應(yīng)變片初始阻值：R=R=R=R，其變化值R=R=1234A1A2AR=R時，其橋路輸出電壓Uo（R/R）E=K3A4E。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。圖31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2V】0V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、土15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表;應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、祛碼。（四）實驗步驟：實驗步驟與方法（除了按

14、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。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)（五）思考題：測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1=R3,R2=R4,而R1HR2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。四、應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較（一）、實驗?zāi)康模罕容^單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。（二）、基本原理：如圖4（a）、（b）、（c）(a)單臂(b)半橋(c)全橋圖4應(yīng)變電(a)、Uo=U-U=(R1+R1)/(R1+R1+R2)-R4/(R3+R4)E=

15、(1+R1/R1)/(1+R1/R1+R2/R2)-(R4/R3)/(1+R4/R3)E設(shè)R1=R2=R3=R4,且R1/R1VV1。Uo(1/4)(R1/R1)E所以電橋的電壓靈敏度:S=Uo/(R1/R1)kE=(1/4)E(b)、同理:Uo(1/2)(R1/R1)ES=(1/2)E(C)、同理:Uo(R1/R1)EAS=E(三)、需用器件與單元：主機箱中的2V】0V(步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、土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：根據(jù)實驗一、二、三所得的單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進行分析比較。經(jīng)實驗驗證闡述理由（注意：實完

16、畢，關(guān)閉電源。驗一、二、三中的放大器增益必須相同）。實驗五、應(yīng)變片直流全橋的應(yīng)用電子秤實驗（一）、實驗?zāi)康模毫私鈶?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。4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2V】0V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、土15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表;應(yīng)變式傳感器實驗?zāi)０?、托盤、祛碼。（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

17、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2V土10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到4V檔。檢査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鱎，使主機箱電壓表顯示為零;W13、將10只祛碼全部置于傳感器的托盤上,調(diào)節(jié)電位器R（增益即滿量程調(diào)節(jié)、使數(shù)顯表W3顯示為0.200V（2V檔測量）。4、拿去托盤上的所有祛碼，調(diào)節(jié)電位器RW4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0000V。5、重復(fù)3、4步驟的標定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g,將祛碼依次放在托盤上稱重；放上筆、鑰匙之類的小東西稱E重量dE值一下重量。實驗完畢，關(guān)閉電源。六、應(yīng)變片的溫度影響實驗（一）、實驗?zāi)康模毫私鉁囟葘?yīng)變片測試系統(tǒng)的影響。（二）、基本原理：電阻應(yīng)變片的溫度影響，主要來自兩個方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應(yīng)變柵的線膨脹系數(shù)與彈性體（或被測試件）的線膨脹系數(shù)不一致會產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此當溫度變化時，在被測體受力狀態(tài)