實(shí)驗(yàn)1電阻應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)

腹有詩(shī)書氣自華腹有詩(shī)書氣自華實(shí)驗(yàn)1電阻應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編碼：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)數(shù)：2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型：綜合性（）設(shè)計(jì)性（V）驗(yàn)證性（）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．在《傳感器技術(shù)》課程中，電阻應(yīng)變式傳感器是教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。通過本實(shí)驗(yàn)，了解半橋和全橋回路在電阻應(yīng)變式傳感器中的應(yīng)用；熟悉應(yīng)變片在受拉或受壓時(shí)的特性；掌握橋式放大器在應(yīng)變片輸出信號(hào)中的應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及基本原理（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象，通過設(shè)計(jì)不同的測(cè)量放大電路，來(lái)深入了解應(yīng)變式傳感器的原理以及特性。（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(lái)組成，是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)變片將彈性元件的變形轉(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。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(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1—1)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dR。對(duì)式（1—1）全微分得電阻變化率dR/R為：dRdLdrdp（1—2）—2—+RLrp式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量￡Ldr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量￡r由材料力學(xué)得：(1—3)左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式（18=—US(1—3)左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式（1Lr式中：|J為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3?0.5—3）代入式（1—2）得：1—4)dR,1—4)（1+2卩）￡+-Rp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。(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：dRK==（1+2卩）sRL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/Rv~dpp。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)。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)。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。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。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用應(yīng)變片可用于能轉(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。在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，而半導(dǎo)體應(yīng)變片由于溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞等原因較少應(yīng)用。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1所示。(a)絲式應(yīng)變片(a)絲式應(yīng)變片(b)箔式應(yīng)變片圖1應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖5、測(cè)量電路(重點(diǎn))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。基本電路如圖2(a)、(b)、(c)所示。

(a)單臂(b)(a)單臂(b)半橋(c)全橋圖2應(yīng)變片測(cè)量電路(a)、單臂Uo=U?—U③=[(R1+AR1)/(R1+AR1+R5)-R7/(R7+R6)]E={[(R7+R6)(R1+AR1)-R7(R5+R1+AR1)]/[(R5+R1+AR1)(R7+R6)]}E設(shè)R1=R5=R6=R7，且△R1/R1=AR/R《1；△R/R=Ks,K為靈敏度系數(shù)。則Uo~(1/4)(AR1/R1)E=(1/4)(AR/R)E=(1/4)K￡E、雙臂(半橋)同理:UO~(1/2)(AR/R)E=(1/2)K￡E、全橋同理:UO~(AR/R)E=K￡E6．應(yīng)變片半橋、全橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖3(a)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。其橋路輸出電壓Uo~(1/2)(AR/R)E=(1/2)K￡E。如圖3(b)所示，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△R1=AR2=AR3=AR4時(shí)，其橋路輸出電壓Uo~(AR/R)E=K￡E。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到近一步改善?！?-4VE+4VO—1—0-4VE+4VO—1(a)半橋原理圖1~TVE+4V~(b)全橋原理圖圖3應(yīng)變片半橋、全橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖三、實(shí)驗(yàn)用儀器與設(shè)備主機(jī)箱直流電源(±4V、±15V)2.電容傳感器3.應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?.電壓表5．托盤、砝碼6．四位半數(shù)顯萬(wàn)用表四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟

應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f明：應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?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(cè)量電路、差動(dòng)放大器組成。實(shí)驗(yàn)?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(biāo)記的5個(gè)電阻符號(hào)是空的無(wú)實(shí)體，其中4個(gè)電阻符號(hào)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350Q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(yàn)時(shí)用。多芯插頭是振動(dòng)源的振動(dòng)梁上的應(yīng)變片輸入口，做應(yīng)變片測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)用。1.將托盤安裝到傳感器上，如圖4所示。弓岀銭I戰(zhàn)變片更務(wù)沖撫且固定禁弓岀銭I戰(zhàn)變片更務(wù)沖撫且固定禁圈圖4傳感器托盤安裝示意圖測(cè)量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤上無(wú)重物時(shí)，分別測(cè)量應(yīng)變片R1、R2、R3、R4的阻值，參考圖5。然后在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測(cè)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?。D5測(cè)量應(yīng)變片的阻值示意圖圖5測(cè)量應(yīng)變片的阻值示意圖垃丘萬(wàn)用衽記錄下放置10只砝碼前后的應(yīng)變片的值，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中繪制表格并填入其中。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零：按圖6示意接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，接線經(jīng)實(shí)驗(yàn)教師檢查確認(rèn)無(wú)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(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈）后，再緩慢調(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（注意，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中不要觸碰到RW4）。Rl舊MK-d「1”.:.|[:.匚S5WJ.T0嚴(yán)oRl舊MK-d「1”.:.|[:.匚S5WJ.T0嚴(yán)oo-LSI+5VSfSAJ2O一^..i.土O■"ooo砲變傳感器嚶於模板圖6差動(dòng)放在器調(diào)零接線示意圖4．設(shè)計(jì)應(yīng)變片雙臂電橋測(cè)量放大電路：（利用實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹O(shè)計(jì)雙臂橋放大電路，進(jìn)行砝碼稱重實(shí)驗(yàn)）。以下為實(shí)驗(yàn)參考步驟：關(guān)閉主機(jī)箱電源，參考圖7示意圖接線，將土2V?±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，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；在傳感器的托盤上依次增加放置1~10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(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。表1應(yīng)變片雙臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖7應(yīng)變片雙臂電橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖5．設(shè)計(jì)應(yīng)變片全臂電橋測(cè)量放大電路：（參考步驟4設(shè)計(jì)全臂橋放大電路，進(jìn)行砝碼稱重實(shí)驗(yàn)），接線參考圖8。RiT刖電壓表■E應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)欖板5．設(shè)計(jì)應(yīng)變片全臂電橋測(cè)量放大電路：（參考步驟4設(shè)計(jì)全臂橋放大電路，進(jìn)行砝碼稱重實(shí)驗(yàn)），接線參考圖8。RiT刖電壓表■E應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)欖板■II?'心■-壬-胃□-；■I-IV廠‘口三電詢！圖8應(yīng)變片全臂電橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表2。表2應(yīng)變片全臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重量（g）

電壓（mV）5.根據(jù)表1、2數(shù)據(jù)作出曲線并計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S=AV/AW（AV輸出電壓變化量，△W重量變化量）和非線性誤差0，6=△m/yFSX100%式中Am為輸出值（多次測(cè)量時(shí)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。6．實(shí)驗(yàn)完畢清理實(shí)驗(yàn)接線，將實(shí)驗(yàn)器件放回原處，關(guān)閉電源。五、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及預(yù)習(xí)要求1．實(shí)驗(yàn)前請(qǐng)務(wù)必認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1．認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，理解實(shí)驗(yàn)原理后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2．檢查接線無(wú)誤后，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)教師查看線路，經(jīng)確認(rèn)后合上主機(jī)箱電源開關(guān)3.請(qǐng)勿將主機(jī)箱的電源、信號(hào)源輸出端與地（丄）短接，因短接時(shí)間長(zhǎng)易造成電路故障。4．在更換接線時(shí)，應(yīng)斷開電源，只有在確保接線無(wú)誤后方可接通電源。5．實(shí)驗(yàn)接線時(shí)，要握住手柄插拔實(shí)驗(yàn)線，不能拉扯實(shí)驗(yàn)線。6．實(shí)驗(yàn)完畢后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源開關(guān)。七、思考題1．半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：（1）對(duì)邊（2）鄰邊。2．橋路（差動(dòng)電橋）測(cè)量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)椋海?）電橋測(cè)量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。圖9應(yīng)變式傳感器受拉時(shí)傳感器圓周面展開圖測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)，即R1=R3,R2=R4，而R1HR2時(shí)，是否可以組成全橋？簡(jiǎn)述原因。某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測(cè)試時(shí)在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如圖9，如何利用這四片應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。思考一下，如何設(shè)計(jì)電路并進(jìn)行標(biāo)定，使電路輸出的電壓值與重量值相對(duì)應(yīng)，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）,這樣可以制作一臺(tái)原始電子秤。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也'5。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來(lái)二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來(lái)，夙夜憂嘆，恐托付不效，以傷先帝之明；故五月渡瀘，深入不毛。今南方已定，兵甲已足，當(dāng)獎(jiǎng)率三軍，北定中原，庶竭駑鈍，攘除奸兇，興復(fù)漢室，還于舊都。此臣所以報(bào)先帝而忠陛下之職分也。至于斟酌損益，進(jìn)盡忠言，則攸之、祎、允之任也。愿陛下托臣以討賊興復(fù)之效，不效，則治臣之罪，以告先帝之靈。若無(wú)興德之言，則責(zé)攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自謀，以咨諏善道，察納雅言，深追先帝遺詔。臣不勝受恩感激。今當(dāng)遠(yuǎn)離，臨表涕零，不知所言。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無(wú)大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)櫍孕惺缇?，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也"M。臣本布衣，躬耕于南陽(yáng)，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈