應(yīng)變片單臂半橋全橋性能實(shí)驗

應(yīng)變片單臂半橋全橋性能實(shí)驗第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日實(shí)驗?zāi)康牧私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。了解應(yīng)變片半橋（雙臂）工作特點(diǎn)及性能。了解應(yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。比較單臂、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。第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日基本原理電阻應(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(jī)械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日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(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時，根據(jù)電阻的定義式得第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日當(dāng)導(dǎo)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ρ的變化為dL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對式全微分得電阻變化率dR/R為：式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量εL;dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量εr由材料力學(xué)得：εr=-μεL

代入上式式中：μ為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3～0.5左右；負(fù)號表示兩者的變化方向相反。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)）。第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日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(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取其靈敏度系數(shù)為：K=金屬導(dǎo)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(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日(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<≈dρ?ρ。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)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)。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)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日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。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日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(a)絲式應(yīng)變片

(b)箔式應(yīng)變片金屬箔式應(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，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為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù),ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日5、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，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(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；雙臂輸出是單臂的兩倍，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?；倦娐穯伪?、雙臂和全橋。 第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日（a）單臂

Uo＝U①－U③

＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／

〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E設(shè)R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K為靈敏度系數(shù)。則Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE（a）單臂（b）半橋（c）全橋（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＝KεE第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖中R5、R6、R7為350Ω固定電阻，R1為應(yīng)變片；RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源±4V。橋路輸出電壓Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE差動放大器輸出為Vo。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日7、應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗原理圖不同應(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。其橋路輸出電壓Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日8、應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗原理圖應(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)叄喾吹膽?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其變化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時，其橋路輸出電壓Uo≈(△R／R)E＝KεE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、需用器件與單元主機(jī)箱中的±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源±15V直流穩(wěn)壓電源電壓表應(yīng)變式傳感器實(shí)驗?zāi)０逋斜P砝碼4位數(shù)顯萬用表（自備）。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日四、實(shí)驗步驟應(yīng)變傳感器實(shí)驗?zāi)０逭f明：應(yīng)變傳感器實(shí)驗?zāi)０逵蓱?yīng)變式雙孔懸臂梁載荷傳感器（稱重傳感器）、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(shí)驗?zāi)０逯械腞1(傳感器的左上)、R2(傳感器的右下)、R3(傳感器的右上)、R4(傳感器的左下)為稱重傳感器上的應(yīng)變片輸出口；沒有文字標(biāo)記的5個電阻符號是空的無實(shí)體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學(xué)者組成電橋接線方便而設(shè)；R5、R6、R7是350Ω固定電阻，是為應(yīng)變片組成單臂電橋、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(shí)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(shí)驗時用。第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日1、將托盤安裝到傳感器上第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、測量應(yīng)變片的阻值當(dāng)傳感器的托盤上無重物時，分別測量應(yīng)變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量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。）。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、實(shí)驗?zāi)０逯械牟顒臃糯笃髡{(diào)零按圖示接線，將主機(jī)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(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(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(shí)驗?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炾P(guān)閉主機(jī)箱電源，按示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗?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；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗數(shù)據(jù)填入表1。第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日表1應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗數(shù)據(jù)5、根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線并計算系統(tǒng)靈敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV輸出電壓變化量，ΔW重量變化量）和非線性誤差δ，δ=Δm/yFS×100％式中Δm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。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日6、應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗關(guān)閉主機(jī)箱電源，按示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗?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；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗數(shù)據(jù)填入表2。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日表2應(yīng)變片半橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)7、根據(jù)表2實(shí)驗數(shù)據(jù)作出實(shí)驗曲線，計算靈敏度S＝ΔV/ΔW，非線性誤差δ。

重量(g)0

電壓(mV)0

第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日8、應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗關(guān)閉主機(jī)箱電源，按示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗?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；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗數(shù)據(jù)填入表3。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日表3全橋性能實(shí)驗數(shù)據(jù)7、根據(jù)表3實(shí)驗數(shù)據(jù)作出實(shí)驗曲線，計算靈敏度S＝ΔV/ΔW，非線性誤差δ。

重量(g)0

電壓(mV)0

第二十五頁，共二十六頁，2022年，8月