-應變片單臂電橋性能實驗
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周康 海洋技術1121班 學號：201212922132 實驗一 應變片單臂電橋性能實驗 一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。 二、基本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內(nèi)部變形轉換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。 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)則外形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)生相應地改變，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，根據(jù)電阻的定義式得 （1—1） 當導體因某種原因產(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： （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) 4） 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。 (1)、金屬導體的應變靈敏度K：主要取決于其幾何效應；可取 （1—5） 其靈敏度系數(shù)為： K= 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、貼片式應變片應用 在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應用。一般半導體應變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應）傳感器。 ＊本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。 4、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。 (a) 絲式應變片 (b) 箔式應變片 圖1—1應 （a）、單臂 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 設R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K為靈敏度系數(shù)。 則Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE (b)、雙臂(半橋) 同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE (C)、全橋 同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE 6、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖 圖1—3 應變片單臂電橋性能實驗原理圖 圖中R5、R6、R7為350Ω固定電阻，R1為應變片； RW1和R8組成電橋調平衡網(wǎng)絡，E為供橋電源4V。橋路輸出電壓Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE 。差動放大器輸出為Vo。 三、需用器件與單元：主機箱中的2V～10V（步進可調）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼； 4位數(shù)顯萬用表（自備）。 四、實驗步驟： 應變傳感器實驗模板說明：應變傳感器實驗模板由應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、應變片測量電路、差動放大器組成。實驗模板中的R1(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變片輸出口；沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學者組成電橋接線方便而設；R5、R6、R7是350Ω固定電阻，是為應變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應變片溫度影響實驗時用。多芯插頭是振動源的振動梁上的應變片輸入口，做應變片測量振動實驗時用。 1、將托盤安裝到傳感器上，如圖1—4所示。 圖1—4 傳感器托盤安裝示意圖 2、測量應變片的阻值：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變片R1、R2、R3、R4 的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R4的阻值變化，分析應變片的受力情況（受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變小。）。 圖1—5測量應變片的阻值示意圖 3、實驗模板中的差動放大器調零：按圖1—6示意接線，將主機箱上的電壓表量程切換 開關切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關；調節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(先順時針輕輕轉到底，再逆時針回轉1圈)后，再調節(jié)實驗模板放大器的調零電位器RW4，使電壓表顯示為零。 圖1—6差動放在器調零接線示意圖 表1 應變片單臂電橋性能實驗數(shù)據(jù) 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 電壓(mV) 0 0.2 -4.4 -9.1 -13.8 -18.6 -23.5 -23.7 -28 5、 根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線并計算系統(tǒng)靈敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV輸出電壓變化量，ΔW重量變化量）和非線性誤差δ，δ=Δm/yFS 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：yFS滿量程輸出平均值，此處為200g。實驗完畢，關閉電源。 一、數(shù)據(jù)分析： 1.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通過計算，得到了相關數(shù)據(jù)和畫出了最小二乘擬合曲線 2.計算靈敏度S=△U/△W △U=-5.3mv △W=20g ∴S=-0.192 δ=△m/yFs100%=2.063/-28100%=7.36% 3.問題與討論：分析實驗的不足之處以及如何改進，回答實驗手冊文檔上的思考題 1.在實驗中，調零可能會有誤差 2.稱量時，會有人為的因素在里面，會導致誤差 實驗二 應變片半橋性能實驗 一、實驗目的：了解應變片半橋（雙臂）工作特點及性能。掌握測量方法。 二、基本原理：應變片基本原理參閱實驗一。應變片半橋特性實驗原理如圖2—1所示。不同應力方向的兩片應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)(△R／R)E＝(1／2)KεE 。 圖2—1 應變片半橋特性實驗原理圖 三、需用器件與單元：主機箱中的2V～10V（步進可調）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。 四、實驗步驟： 1、按實驗一（單臂電橋性能實驗）中的步驟1和步驟3實驗。 2、關閉主機箱電源，除將圖1—7改成圖2—2示意圖接線外，其它按實驗一中的步驟4實驗。讀取相應的數(shù)顯表電壓值，填入表2中。 圖2—2 應變片半橋實驗接線示意圖 表2 應變片半橋實驗數(shù)據(jù) 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 電壓(mV) -0.3 8.9 19.0 25.8 36.3 44.8 54.7 64.9 75.5 85.5 0.1 9.2 19.3 25.1 36.6 45.2 56.0 65.3 76.5 85.7 3、 根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線。實驗完畢，關閉電源。 五、思考題： 半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在： 答：在臨邊。因為在臨邊時,中點的電位變化的才能和另外的參考點進行比較,如果不在臨邊,也就會出現(xiàn)當兩個應變片都發(fā)生變化時,與他們對應電阻的電位差可能會出現(xiàn)0的情況. 實驗三 應變片全橋性能實驗 一、實驗目的：了解應變片全橋工作特點及性能。 二、基本原理：應變片基本原理參閱實驗一。應變片全橋特性實驗原理如圖3—1所示。應變片全橋測量電路中，將應力方向相同的兩應變片接入電橋對邊，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其變化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時，其橋路輸出電壓Uo≈(△R／R)E＝KεE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。 圖3—1應變片全橋特性實驗接線示意圖 三、需用器件和單元：主機箱中的2V～10V（步進可調）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。 四、實驗步驟： 實驗步驟與方法（除了按圖3—2示意接線外）參照實驗二，將實驗數(shù)據(jù)填入表3作出實驗曲線并進行靈敏度和非線性誤差計算。實驗完畢，關閉電源。 圖3—2 應變片全橋性能實驗接線示意圖 表3全橋性能實驗數(shù)據(jù) 根據(jù)表3實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線。 五、思考題： 測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）電阻值R相同時，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2時，是否可以組成全橋： 答：可以的.當兩對邊電阻相等時,電橋平衡. 實驗五 應變片直流全橋的應用—電子秤實驗 一、實驗目的：了解應變直流全橋的應用及電路的標定。 二、基本原理：常用的稱重傳感器就是應用了箔式應變片及其全橋測量電路。數(shù)字電子秤實驗原理如圖5—1。本實驗只做放大器輸出Vo實驗，通過對電路的標定使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始電子秤。 圖5—1 數(shù)字電子稱原理框圖 三、需用器件與單元：主機箱中的2V～10V（步進可調）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼。 四、實驗步驟： 1、按實驗一中的1和3步驟實驗。 2、關閉主機箱電源，按圖3—2 （應變片全橋性能實驗接線示意圖）示意接線，將 2V～10V可調電源調節(jié)到4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使主機箱電壓表顯示為零； 3、將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調節(jié)電位器RW3（增益即滿量程調節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測量)。 4、拿去托盤上的所有砝碼，調節(jié)電位器RW4（零位調節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。 5、重復3、4步驟的標定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量綱g，將砝碼依次放在托盤上稱重；放上筆、鑰匙之類的小東西稱一下重量。實驗完畢，關閉電源。 五、實驗數(shù)據(jù) 六、實驗分析 1．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，繪制傳感器的特性曲線。 2．分析什么因素會導致電子秤的非線性誤差增大，怎么消除，若要增加輸出靈敏度，應采取哪些措施。 答：環(huán)境因素和實驗器材的校正不準會導致非線性誤差增大。通過多次校正，調節(jié)變位器可消除或減少誤差。若要增加輸出靈敏度可增加相形放大電路 實驗九 壓阻式壓力傳感器壓力實驗 一、實驗目的 了解擴散硅壓阻式壓力傳感器測量壓力的原理與方法。 二、實驗儀器 壓力傳感器、氣室、氣壓表、差動放大器、電壓放大器、電壓溫度頻率表 三、實驗原理 在具有壓阻效應的半導體材料上用擴散或離子注入法，可以制備各種壓力傳感器。摩托羅拉公司設計出X形硅壓力傳感器，如圖7-1所示，在單晶硅膜片表面形成4個阻值相等的電阻條。將它們連接成惠斯通電橋，電橋電源端和輸出端引出，用制造集成電路的方法封裝起來，制成擴散硅壓阻式壓力傳感器。 擴散硅壓力傳感器的工作原理如圖7-1，在X形硅壓力傳感器的一個方向上加偏置電壓形成電流，當敏感芯片沒有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，當有剪切力作用時（本實驗采用改變氣室內(nèi)的壓強的方法改變剪切力的大?。诖怪庇陔娏鞣较驅a(chǎn)生電場變化，該電場的變化引起電位變化，則在與電流方向垂直的兩側得到輸出電壓Uo。 （7-1） 式中d為元件兩端距離。 實驗接線圖如圖7-2所示，MPX10有4個引出腳，1腳接地、2腳為Uo+、3腳接+5V電源、4腳為Uo-；當P1>P2時，輸出為正；P1
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