傳感器實(shí)驗(yàn)報(bào)告自然科學(xué)

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傳感器原理及應(yīng)用試驗(yàn)報(bào)

告

試驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片——單臂電橋性能試驗(yàn)

一、試驗(yàn)?zāi)康?了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，并把握單臂電橋工作原理和性能。

二、基本原理:

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)章形狀的金屬導(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)地轉(zhuǎn)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(shí)，依據(jù)電阻的定義式得

R??L/A??L/(?r^2)（1—1）

當(dāng)導(dǎo)體因某種緣由產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，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（1—1）全微分得電阻變化率dR/R為：dR/R?dL/L?2dr/r?d?/?（1—2）

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：εL=-μεr(1—3)，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。將式（1—3）代入式（1—2）得：dR/R?(1?2?)??d?/?（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dR/R?(1?2?)?（1—5）

其靈敏度系數(shù)為：dR/(?R)?(1?2?)

K?dR/(?R)?(1?2?)

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。3、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—1所示。

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。4、箔式應(yīng)變片單臂電橋試驗(yàn)原理圖

對單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。

三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器試驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)。四、試驗(yàn)步驟：

1、依據(jù)圖(1-3)應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進(jìn)行測量判別，R1=R2=R3=R4=350Ω，加熱絲阻值為50Ω左右。

2、接入模板電源±15V(從主控箱引入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將試驗(yàn)?zāi)０逭{(diào)整增益電位器Rw3順時(shí)針調(diào)整大致到中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯表電壓輸入端Vi相連，調(diào)整試驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔)。關(guān)閉主控箱電源。

3、將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R1(即模板左上方的R1)接入電橋作為一個(gè)橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋(R5、R6、R7模塊內(nèi)已連接好)，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)如圖1-4所示。合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)整Rw1。

4、在電子稱上放置一只砝碼，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。登記試驗(yàn)結(jié)果填入表，關(guān)閉電源。5、依據(jù)表計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S，S=Δu/ΔW(Δu輸出電壓變化量；

ΔW重量變化量)計(jì)算線性誤差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm為輸出值(多次測量時(shí)為平均值)與擬合直線的最大偏差，yF·S滿量程輸出平均值。五、試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

重量(g)0電(mv)壓0203.1406.2609.38010012014016018020012.515.618.722.025.228.431.5由上圖可知：平均電壓變化量：

?u?((18.7-3.1)/5+(22.0-6.2)/5+(25.2-9.3)/5+(28.4-12.5)/5+(31.5-15.6

)/5)/5=3.164mv

由圖6-2可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應(yīng)動(dòng)勢為：

由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動(dòng)勢為：

其有效值為：

差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖6-3所示.圖中E21、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實(shí)線表示抱負(fù)的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)四周不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。

三、需用器件與單元：差動(dòng)變壓器試驗(yàn)?zāi)０濉y微頭、雙線示波器、差動(dòng)變壓器，音頻信號源(音頻振蕩器)、直流電源、萬用表。四、試驗(yàn)步驟：

1、依據(jù)圖6-4，將差動(dòng)變壓器裝在差動(dòng)變壓器試驗(yàn)?zāi)０迳稀?/p>

2、在模塊上按圖6-5接線，音頻振蕩器信號必需從主控箱中的Lv端子輸出，調(diào)整音頻振蕩器的頻率，輸出頻率為4～5KHz(可用主控箱的數(shù)顯表的頻率檔Fin輸入來監(jiān)測)。調(diào)整幅度使輸出幅度為峰一峰值Vp-p=2V(可用示波器監(jiān)測：X軸為0.2ms/div、Y軸CH1為1V/div、CH2為20mv/div)。判別初次級線圈及次級

線圈同名端方法如下：設(shè)任一線圈為初級線圈，并設(shè)另外兩個(gè)線圈的任一端為同名端，按圖6-5接線。當(dāng)鐵芯左、右移動(dòng)時(shí)，觀看示波器中顯示的初級線圈波形，次級線圈波形，當(dāng)次級波形輸出幅值變化很大，基本上能過零點(diǎn)，而且相位與初級圈波形(Lv音頻信號Vp-p=2V波形)比較能同相和反相變化，說明已連接的初、次級線圈及同名端是正確的，否則連續(xù)轉(zhuǎn)變連接再判別直到正確為止。圖中(1)、(2)、(3)、(4)為模塊中的試驗(yàn)插孔。

3、旋動(dòng)測微頭，使示波器其次通道顯示的波形峰一峰值Vp-p為最小。這時(shí)可以左右位移，假設(shè)其中一個(gè)方向?yàn)檎灰?，則另一方向位移為負(fù)。從Vp-p最小開頭旋動(dòng)測微頭，每隔0.2mm從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值填入下表中。再從Vp-p最小處反向位移做試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，留意左、右位移時(shí)，初、次級波形的相位關(guān)系。

4、試驗(yàn)過程中留意差動(dòng)變壓輸出的最小值即為差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓大小。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出Vop-p-X曲線，作出量程為±1mm、±3mm靈敏度和非線性誤差。

五、試驗(yàn)數(shù)據(jù)

位移(mm)電壓(mv)-1.2284-1.0240-0.8192-0.6144-0.496-0.248012位移(mm)電壓(mv)0.2520.41000.61480.81961.02401.2284由表可得零點(diǎn)殘余電壓為12mv。1、Vop-p-X曲線

2、量程為±1mm的擬合曲線

3、量程為±3mm的擬合曲線

由于試驗(yàn)測量時(shí)只測到量程為±1.2mm的數(shù)據(jù)，所以只繪制了量程為±1.2mm的擬合曲線。

4、靈敏度和非線性誤差

擬合直線的斜率即為靈敏度s，由公式δf1=Δm/yF·S×100%可算出非線性誤差。數(shù)據(jù)如下：

0-1mm0-3mm靈敏度231.43230.00非線性誤差1.349%1.207%六、思索題：

1、用差動(dòng)變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz的振動(dòng)幅值，可以嗎？差動(dòng)變壓器測量頻率的上限受什么影響？

不行以。受鐵磁材料磁感應(yīng)頻率響應(yīng)上限影響。原則上來說沒影響，由于即使磁材料不響應(yīng)的高