應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)報(bào)告 金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告（傳感器原理及工程應(yīng)用）課程名稱：傳感器原理及工程應(yīng)用專業(yè)班級： 電子1412學(xué)生姓名:孫瑋盛建東張昱學(xué)生姓名:孫瑋盛建東張昱所屬院部：電子與信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師: 王儉20162017學(xué)年第2學(xué)期金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)、測量電路原理分析應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)所使用的原理電路如圖1所示。該電路主要由單臂直流電橋電路和由四運(yùn)放組成的放大電路構(gòu)成。單臂直流電橋電路中的R2為應(yīng)變片，R6的作用是調(diào)零，將電橋兩端調(diào)節(jié)平衡，使得電橋輸出端初始狀態(tài)下為零。其輸出的差值電壓為一(1)上式中，k為一個(gè)和R3、R4和R5有關(guān)的一個(gè)值。對于放大電路，設(shè)放大電路兩個(gè)輸入端電壓分別為乂］和Vi2,IC4負(fù)輸入端電壓為Vref，且R11和R10相等，R12和R13相等，則可以推導(dǎo)出Vo的表達(dá)式為由上式可知，該電路可以通過調(diào)節(jié)R16以改變VREF實(shí)現(xiàn)較零，通過調(diào)節(jié)R7來改變放大的倍數(shù)。圖1二、實(shí)驗(yàn)具體步驟如圖2所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞1,R2,R3,R4為應(yīng)變片，沒有文字標(biāo)記的5個(gè)電阻符號下面是空的。根據(jù)圖2所示，應(yīng)變式傳感器裝于應(yīng)變器傳感器模塊上，傳感器中4片應(yīng)變片和加熱電阻連接在實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降腞1,R2,R3,R4和加熱器上，傳感器左下角應(yīng)變片為R1；右下角為R2；右上角為R3；左上角為R4。當(dāng)傳感器托盤支點(diǎn)受壓時(shí)，R1,R3阻值增加，R2,R4阻值減小，可用四位半數(shù)顯萬用表進(jìn)行測量判別，常態(tài)時(shí)應(yīng)變片阻滯為350Q，加熱絲電阻為50Q左右。先根據(jù)圖2安裝接線，然后將圖2實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳戏糯笃鞯膬奢斎攵丝谝€暫時(shí)脫開，再用導(dǎo)線將兩輸入端短接（Vj=0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置；將主機(jī)箱電壓表的量程切換開關(guān)打到2V檔，合上主機(jī)箱電源開關(guān);調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4,使電壓表顯示為零。接下來，拆去放大器輸入端口的短接線，將暫時(shí)脫開的引線復(fù)原。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)箱電壓表顯示為零；在應(yīng)變傳感器的托盤上放置一只砝碼，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，直到200g砝碼加完。最后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表1為每次增加一個(gè)砝碼（每個(gè)砝碼為20g）以及加滿10個(gè)砝碼后逐個(gè)撤去時(shí)測量的數(shù)據(jù)。表2、表3為每次增加2個(gè)和3個(gè)砝碼以及撤去時(shí)測量數(shù)據(jù)。重量（g）020406080100120140160180200電壓（V）0.0000.0030.0070.0110.0140.0180.0220.0250.0290.0320.036電壓（V）0.0010.0040.0080.0110.0150.0180.0210.0260.0290.0330.036表1實(shí)測數(shù)據(jù)根據(jù)表1計(jì)算得系統(tǒng)靈敏度為：— （3）根據(jù)式（1）和式（2）可知，理想狀態(tài)下，重量與輸出電壓的關(guān)系曲線應(yīng)該為一條固定斜率且過原點(diǎn)的直線。我們可以將圖中最大值和最小值的連線設(shè)為理想線段，其斜率即為式（3）中所算的靈敏度S的值，理想線段數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)繪制理想值與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，其如圖3所示。從圖中可以看出實(shí)際測量值和理想值之間誤差較小，誤差均值為0.000236V。此外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到非線性誤差為：上式中為輸出值與理想線段的最大誤差， 為滿量程輸出平均值，此處為200g。重量(g)020406080100120140160180200電壓(mV)03.67.210.814.418.021.625.228.832.436.0表2理想線段數(shù)據(jù)重量/g重量/g_理想值實(shí)測值—差值圖3理想值與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比圖根據(jù)測量值可以計(jì)算出線性趨勢線，得到其表達(dá)式為：(5)線性趨勢線是適用于簡單線性數(shù)據(jù)集的最佳擬合直線，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合該特性，因此選擇線性趨勢線，其數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表1和表3的數(shù)據(jù)繪制趨勢線與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，其如圖3所示。從圖中可以看出，兩者的差值的平均值為0.000238V，此時(shí)差值與圖3中差值接近。此外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到非線性誤差為：— (6)從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，測量值與趨勢線之間的非線性誤差要好于測量值與理想曲線的非線性誤差。重量(g)020406080100120140160180200電壓(mV)-0.183.4367.05410.6714.2917.9121.5325.1428.7632.3836.00表3趨勢線數(shù)據(jù)

0.040.0350.030.0250.0050.01—差值0-0.0050 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.02電0.040.0350.030.0250.0050.01—差值0-0.0050 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.02電0.015i—實(shí)測值-?-趨勢線圖4趨勢線與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比圖圖5為將砝碼拿下時(shí)測量的值和理想值的對比圖。從圖中可以看出砝碼拿下時(shí)，與理想值的差值較圖3中要大，差值的均值為0.000545V，但仍近似滿足理想線段。其非線性誤差為：—⑺0*—測量值-崇-理想值—差值0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.030.0250.010.0050*—測量值-崇-理想值—差值0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.030.0250.010.0050.040.035壓0.02電0.015圖5砝碼拿下時(shí)測量值和理想值的對比圖圖6為將砝碼拿下時(shí)測量的值和趨勢線的對比圖。從圖中可以看出砝碼拿下時(shí)，其與趨勢線的差值的均值為0.000637V，相對于與理想線段對比的差值要大。其非線性誤差為：(8)同樣，由上面的結(jié)果也可以看出，與趨勢線的線性誤差要大于與理想線段對比。因此從上述數(shù)據(jù)可以看出，理想曲線更加接近測量值，且理想曲線也線性和過零點(diǎn)的條件。重量/g重量/g——實(shí)測值-*-趨勢線—差值圖6砝碼拿下時(shí)測量值和趨勢線的對比圖四、 實(shí)驗(yàn)遇到的問題及誤差原因分析對于上述出現(xiàn)的全部誤差及實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的情況分析如下：（1） 應(yīng)變片反應(yīng)不靈敏或電路預(yù)熱不完全。實(shí)驗(yàn)中我們先用R1進(jìn)行了測量，但發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量變化十分小，有時(shí)增加好幾個(gè)砝碼數(shù)值都不發(fā)生變化。之后我們換了R2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)測的數(shù)據(jù)比較好，有明顯變化且呈線性。（2） 調(diào)零時(shí)不夠準(zhǔn)確。因?yàn)榛瑒幼冏杵髯柚递^大，調(diào)零時(shí)讀數(shù)會波動很大，且調(diào)零后較容易受外界干擾。（3） 桌面晃動，儀器不水平。測量能明顯感覺到，如有同學(xué)拍一下或動桌子，數(shù)值會發(fā)生明顯變化。因此我們總共測了四次，我們從其中選擇了最為穩(wěn)定的進(jìn)行分析。（4） 移動砝碼時(shí)必須做到輕拿輕放，如果動作過大或者一瞬間加的砝碼數(shù)量較多時(shí)，將會會導(dǎo)致應(yīng)變片發(fā)生過形變，導(dǎo)致讀數(shù)數(shù)值偏大。（5） 支架松動。實(shí)驗(yàn)設(shè)備支架最初松動的較為厲