应变片实验

实验一应变片实验一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。二、基本原理：1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。根据电阻的定义式得（1—1）当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：（1—2）由材料力学得：εL=-μεr(1—3)式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得：（1—4）式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。2、测量电路为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。（a）单臂（b）半桥（c）全桥图1—2应变片测量电路（a）、单臂Uo＝U①－U③＝〔(R4＋△R4)／(R4＋△R4＋R3)－R1／(R1＋R2)〕E＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。则Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE(b)、双臂(半桥)同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE(C)、全桥同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE6、箔式应变片单臂电桥实验原理图图1—3应变片单臂电桥实验原理图图中R1、R2、R3为350Ω固定电阻，R4为应变片；W1和r组成电桥调平衡网络，供桥电源直流±4V。桥路输出电压Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE。三、需用器件与单元：机头中的应变梁的应变片、测微头；显示面板中的F/V表(或电压表)、±2V～±10V步进可调直流稳压电源；调理电路面板中传感器输出单元中的箔式应变片、调理电路单元中的电桥、差动放大器；421位数显万用表（自备）。四、需用器件与单元介绍：1、图1—4调理电路面板中的电桥单元。图中：⑴菱形虚框为无实体的电桥模型(为实验者组桥参考而设，无其它实际意义)。⑵R1=R2=R3=350Ω是固定电阻，为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻。⑶W1电位器、r电阻为电桥直流调节平衡网络，W2电位器、C电容为电桥交流调节平衡网络。图1—4电桥面板图2、图1—5为差动放大器原理图与调理电路中的差动放大器单元面板图。图1—5差动放大器原理与面板图图中：左图是原理图，A是差动输入的放大器；右图为面板图。五、实验步骤：1、在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用421位数显万用表2kΩ电阻档测量所有应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提梁的自由端）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况(标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片)。如下图1—7所示。图1—7观察应变片阻值变化情况示意图2、差动放大器调零点：按下图1—8示意接线。将F／V表(或电压表)的量程切换开关切换到2V档，合上主、副电源开关，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转一点点(放大器的增益为最大，回转一点点的目的：电位器触点在根部估计会接触不良)，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示电压为零。差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。图1—8差放调零接线图3、应变片单臂电桥特性实验：图1—9应变片单臂电桥特性实验原理图与接线示意图⑵检查接线无误后合上主电源开关，当机头上应变梁自由端的测微头离开自由端（梁处于自然状态，图1—7机头所示）时调节电桥的直流调节平衡网络W1电位器，使电压表显示为0或接近0。⑶在测微头吸合梁的自由端前调节测微头的微分筒，使测微头的读数为10mm左右（测微头微分筒的0刻度线与测微头轴套的10mm刻度线对准）；再松开测微头支架轴套的紧固螺钉，调节测微头支架高度使梁吸合后进一步调节支架高度，同时观察电压表显示绝对值尽量为最小时固定测微头支架高度（拧紧紧固螺钉，图1—9机头所示）。仔细微调测微头的微分筒使电压表显示值为0（梁不受力处于自然状态），这时的测微头刻度线位置作为梁位移的相对0位位移点。首先确定某个方向位移，以后每调节测微头的微分筒一周产生0.5mm位移，根据表1位移数据依次增加0.5mm并读取相应的电压值填入表1中；然后反方向调节测微头的微分筒使电压表显示0V（这时测微头微分筒的刻度线不在原来的0位位移点位置上，是由于测微头存在机械回程差，以电压表的0V为标准作为0位位移点并取固定的相对位移ΔX消除了机械回程差），再根据表1位移数据依次反方向增加0.5mm并读取相应的电压值填入表1中。表1应变片单臂电桥特性实验数据：位移(mm)-3.5……-1.0-0.50+0.5+1.0……+3.5电压(mV)⑷根据表1数据画出实验曲线并计算灵敏度S＝ΔV/ΔX（ΔV输出电压变化量，ΔX位移变化量）和非线性误差δ(用最小二乘法)。实验完毕，关闭电源。4、应变片半桥电桥特性实验：（1）检查接线无误后合上主电源开关，实验步骤同3.图2—2应变片半桥实验原理图与接线示意图表2应变片半桥电桥特性实验数据：位移(mm)-3.5……-1.0-0.50+0.5+1.0……+3.5电压(mV)5.应变片全桥电桥特性实验（1）检查接线无误后合上主电源开关，实验步骤同3.图3—2应变片全桥特性实验原理图与接线示意图表3应变片全桥电桥特性实验数据：位移(mm)-3.5……-1.0-0.50+0.5+1.0……+3.5电压(mV)