傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

10一、試驗(yàn)?zāi)康模?、了解電阻應(yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并把握應(yīng)變片測(cè)量電路。2、了解應(yīng)變片半橋〔雙臂〕工作特點(diǎn)及性能。3、了解應(yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。4、比較單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。5、了解應(yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。二、根本原理：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。感器主要是通過肯定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形于能轉(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)用格外廣泛。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)章外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變?cè)O(shè)其長(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時(shí)，依據(jù)電阻的定義式得〔1-1〕LA和電阻率ρdL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式〔1-1〕dR/R為：〔1-2〕式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量ε

; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量εL rε由材料力學(xué)得：

=-με

(1-3〕L r式中：μ0.3----0.5左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式〔1-3〕代入式〔1-2〕得：〔1-4〕式〔1-4〕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。、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〔1-5〕其靈敏度系數(shù)為：K=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2dR/R≈dρ。半導(dǎo)體材料之所以時(shí)會(huì)臨時(shí)轉(zhuǎn)變晶體構(gòu)造的對(duì)稱性這種物理現(xiàn)象我們稱之為半導(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(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。1002003、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用〔性、線性度不好而且易損壞N型單晶硅為傳感器的彈性元〔集中出敏感柵〔壓阻效應(yīng)〕傳感器。＊本試驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為爭(zhēng)論對(duì)象。4、箔式應(yīng)變片的根本構(gòu)造0.025mm左右的金屬絲1-1所示。絲式應(yīng)變片 (b)箔式應(yīng)變片圖1-1應(yīng)變片構(gòu)造圖金屬箔式應(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)變片工作原理一樣。電阻絲在外力作用下發(fā)生氣械變形時(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：ΔR／R＝Kε 式中：ΔR／R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù),ε=ΔL/L為電阻絲長(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)路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有構(gòu)造簡(jiǎn)潔、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)倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓或電流信號(hào)一般都承受雙臂或全橋工作。根本電路如圖1-〔ac〕所示?！瞐〕單臂 〔b〕半橋 〔c〕全橋圖1-2應(yīng)變片測(cè)量電路、單臂Uo＝U①－U③＝〔(R4＋△R4)／(R4＋△R4＋R3)－R1／(R1＋R2)〕E＝R＋R〔4＋〕－1〔3R＋△3R＋△R〔1R2｝ER1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE(b)、雙臂(半橋)同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE(C)、全橋同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋試驗(yàn)原理圖1-3應(yīng)變片單臂電橋試驗(yàn)原理圖R1、R2、R3350Ω固定電阻，R4為應(yīng)變片；W1r組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，供橋電源直流±4VUo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE。三、需用器件與單元：機(jī)頭中的應(yīng)變梁、振動(dòng)臺(tái)；主板中的箔式應(yīng)變片、電橋、±4V源、差動(dòng)放大器、F/V電壓表、砝碼；41位數(shù)顯萬用表〔自備。2四、需用器件與單元介紹：1-4電橋單元

生疏需用器件與單元在傳感器箱中機(jī)頭與主板的布置位置(參閱以上說明書二、試驗(yàn)箱組成圖)。11-4⑴菱形虛框?yàn)闊o實(shí)體的電橋模型(為試驗(yàn)者組橋參考而設(shè)，無其它實(shí)際意義)。⑵R1=R2=R3=350Ω而配備的其它橋臂電阻。⑶W1電位器、rW2電位器、C21-5圖中：左圖是原理圖。其中：IC1-1AD620IC1-2五、試驗(yàn)步驟：

1-5差動(dòng)放大器原理與面板圖1〔不受力〕的狀況下，用412kΩ電阻檔測(cè)量全部2應(yīng)變片阻值；在應(yīng)變梁受力狀態(tài)〔用手壓、提振動(dòng)臺(tái)〕的狀況下，測(cè)應(yīng)變片阻值，觀看一下4片應(yīng)變片縱向受力阻值有變化；標(biāo)有左右箭頭的21-61-6觀看應(yīng)變片阻值變化狀況示意圖21-7示意接線。將F／V2V合上試驗(yàn)箱主電源開關(guān)，將差動(dòng)放大器的撥動(dòng)開關(guān)撥到“開”位置，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)半圈差動(dòng)放大器的零點(diǎn)調(diào)整完成，關(guān)閉主電源。1-7差放調(diào)零接線圖3、應(yīng)變片單臂電橋特性試驗(yàn)：⑴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、R3組成電橋電路，電橋的一對(duì)角接±4V作為電橋的輸出接差動(dòng)放大器的二輸入端，將W1電位器、r電阻直流調(diào)整平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的±4VW1r1-81-8應(yīng)變片單臂電橋特性試驗(yàn)接線示意圖調(diào)整平衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為00(有小的起始電壓也無所謂，不影響應(yīng)變片特性與試驗(yàn))。⑶在應(yīng)變梁的振動(dòng)臺(tái)中心點(diǎn)上放置一只砝碼(20g／只)，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，登記試驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1-1。重量(g)電壓(mV)重量(g)電壓(mV)1-1S＝ΔV/ΔW〔ΔVΔW〕和非線性誤差δ，δ=Δm/yFS×100％式中Δm〔屢次測(cè)量時(shí)為平均值〕與擬合直線的最大偏差：yFS200g。試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。4、應(yīng)變片雙臂電橋特性試驗(yàn)：1-9R1、R2與相鄰的二片應(yīng)變片組成電橋電路外。試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法與試驗(yàn)一完全一樣。試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。1-9應(yīng)變式傳感器半橋接線示意圖重量(g)電壓(mV)1-2重量(g)電壓(mV)5、應(yīng)變片全橋特性試驗(yàn)：除試驗(yàn)接線按圖1-10接線，四片應(yīng)變片組成電橋電路外。試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法與試驗(yàn)一完全一樣。試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。重量(g)電壓(mV)重量(g)電壓(mV)1-10應(yīng)變片全橋特性試驗(yàn)接線示意圖6、應(yīng)變直流全橋的應(yīng)用—電子秤試驗(yàn)：1-11。本試驗(yàn)只做放大器輸出Vo試驗(yàn)，通過對(duì)電路的標(biāo)定使電路輸出的電壓值為重量對(duì)應(yīng)值，電壓量綱〔V〕改為重量量綱〔g〕即成為一臺(tái)原始電子秤。1-11數(shù)字電子稱原理框圖1-12示意接線。將F／V表的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上試驗(yàn)箱主電源開關(guān)，將差動(dòng)放大器的撥動(dòng)開關(guān)撥到“開”位置，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)半圈，調(diào)整調(diào)零電位器，使數(shù)顯表顯示0.000V。差動(dòng)放大器的零點(diǎn)調(diào)整完成，關(guān)閉主電源。1-12差放調(diào)零接線圖按圖1-13接線，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)。在振動(dòng)臺(tái)無砝碼時(shí)，調(diào)整電橋W10.000V10〔盡量放在中心點(diǎn)，調(diào)整差動(dòng)放大器的增益電位器，使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V0.200。1-13電子秤試驗(yàn)接線示意圖0.000V則調(diào)整差動(dòng)放大器的調(diào)0.000V。再將10只砝碼全部置于振動(dòng)臺(tái)上〔盡量放在中心點(diǎn)，調(diào)整差動(dòng)放大器的增益電位器，使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V0.200。3步驟的標(biāo)定過程，始終到準(zhǔn)確為止，把電壓量綱Vg，就可以稱重，成為一臺(tái)原始的電子秤。把砝碼依次放在托盤上，并依次記錄重量和電壓數(shù)據(jù)填入下表5。依據(jù)數(shù)據(jù)畫出試驗(yàn)曲線，計(jì)算誤差與線性度。重量