实验一应变式传感器

1实验一应变式传感器一、应变片单臂电桥性能实验（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：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。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”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，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）式中：dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr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）2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、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取（1—5）其灵敏度系数为：K=金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R≈dρ⁄ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。3、贴片式应变片应用在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、箔式应变片的基本结构金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。3(a)丝式应变片(b)箔式应变片图1—1应变片结构图金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原理相同。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。5、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。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。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＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。则Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE4(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应变片单臂电桥性能实验原理图图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。桥路输出电压Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE。差动放大器输出为Vo。（三）、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；421位数显万用表（自备）。（四）、实验步骤：应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。51、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。图1—4传感器托盘安装示意图2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。）。图1—5测量应变片的阻值示意图3、实验模板中的差动放大器调零：按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置(先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。6图1—6差动放在器调零接线示意图4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图表1应变片单臂电桥性能实验数据重量(g)0电压(mV)05、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值，此处为200g。实验完毕，关闭电源。7二、应变片半桥性能实验（一）、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。（二）、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE。图2—1应变片半桥特性实验原理图（三）、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。（四）、实验步骤：1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表2中。图2—2应变片半桥实验接线示意图8表2应变片半桥实验数据重量(g)0电压(mV)03、根据表2实验数据作出实验曲线，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。（五）、思考题：半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。9三、应变片全桥性能实验（一）、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。（二）、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈(△R／R)E＝KεE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。图3—1应变片全桥特性实验接线示意图（三）、需用器件和单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。（四）、实验步骤：实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。图3—2应变片全桥性能实验接线示意图10表3全桥性能实验数据重量(g)电压(mV)（五）、思考题：测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。11四、应变片单臂、半桥、全桥性能比较（一）、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。（二）、基本原理：如图4（a）、（b）、（c）（a）单臂（b）半桥（c）全桥图4应变电桥（a）、Uo＝U①－U③＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R2)－R4／(R3＋R4)〕E＝〔（1＋△R1／R1）／（1＋△R1／R1＋R2／R2）－（R4／R3）／（1＋R4／R3）〕E设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1／R1＜＜1。Uo≈(1／4)(△R1／R1)E所以电桥的电压灵敏度:S＝Uo／(△R1／R1)≈kE＝(1／4)E(b)、同理:Uo≈(1／2)(△R1／R1)ES＝(1／2)E(C)、同理:Uo≈(△R1／R1)ES＝E（三）、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。（四）、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。经实验验证阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。实验完毕，关闭电源。12五、应变片直流全桥的应用—电子秤实验（一）、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。（二）、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤实验原理如图5—1。本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。图5—1数字电子称原理框图（三）、需用器件与单元：主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。（四）、实验步骤：1、按实验一中的1和3步骤实验。2、关闭主机箱电源，按图3—2（应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档