傳感器實驗報告自然科學

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傳感器原理及應用試驗報

告

試驗一金屬箔式應變片——單臂電橋性能試驗

一、試驗目的:了解金屬箔式應變片的應變效應，并把握單臂電橋工作原理和性能。

二、基本原理:

1、應變片的電阻應變效應

所謂電阻應變效應是指具有規(guī)章形狀的金屬導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生應變而其電阻值也會產(chǎn)生相應地轉變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應變效應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時，依據(jù)電阻的定義式得

R??L/A??L/(?r^2)（1—1）

當導體因某種緣由產(chǎn)生應變時，其長度L、截面積A和電阻率ρ的變化為dL、dA、dρ相應的電阻變化為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為導體的軸向應變量εL;dr/r為導體的橫向應變量εr。由材料力學得：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）說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。2、應變靈敏度

它是指電阻應變片在單位應變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。金屬導體的應變靈敏度K：主要取決于其幾何效應；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?)

金屬導體在受到應變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。3、箔式應變片的基本結構

金屬箔式應變片是在用苯酚、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。

金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生氣械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù),ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化。4、箔式應變片單臂電橋試驗原理圖

對單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。

三、需用器件與單元：應變式傳感器試驗模板、應變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)。四、試驗步驟：

1、依據(jù)圖(1-3)應變式傳感器已裝于應變傳感器模板上。傳感器中各應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，將試驗模板調(diào)整增益電位器Rw3順時針調(diào)整大致到中間位置，再進行差動放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯表電壓輸入端Vi相連，調(diào)整試驗模板上調(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關打到2V檔)。關閉主控箱電源。

3、將應變式傳感器的其中一個應變片R1(即模板左上方的R1)接入電橋作為一個橋臂與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。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的數(shù)

顯表值，直到200g砝碼加完。登記試驗結果填入表，關閉電源。5、依據(jù)表計算系統(tǒng)靈敏度S，S=Δu/ΔW(Δu輸出電壓變化量；

ΔW重量變化量)計算線性誤差：δf1=Δm/yF·S×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，yF·S滿量程輸出平均值。五、試驗數(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：二次繞組的感應動勢為：

由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：

其有效值為：

差動變壓器的輸出特性曲線如圖6-3所示.圖中E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢，E2為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實線表示抱負的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點四周不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。

三、需用器件與單元：差動變壓器試驗模板、測微頭、雙線示波器、差動變壓器，音頻信號源(音頻振蕩器)、直流電源、萬用表。四、試驗步驟：

1、依據(jù)圖6-4，將差動變壓器裝在差動變壓器試驗模板上。

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：設任一線圈為初級線圈，并設另外兩個線圈的任一端為同名端，按圖6-5接線。當鐵芯左、右移動時，觀看示波器中顯示的初級線圈波形，次級線圈波形，當次級波形輸出幅值變化很大，基本上能過零點，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)為模塊中的試驗插孔。

3、旋動測微頭，使示波器其次通道顯示的波形峰一峰值Vp-p為最小。這時可以左右位移，假設其中一個方向為正位移，則另一方向位移為負。從Vp-p最小開頭旋動測微頭，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，在試驗過程中，留意左、右位移時，初、次級波形的相位關系。

4、試驗過程中留意差動變壓輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓大小。依據(jù)試驗數(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

由于試驗測量時只測到量程為±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、用差動變壓器測量較高頻率的振幅，例如1KHz的振動幅值，可以嗎？差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？

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