實驗一應(yīng)變片單臂特性實驗

1、實驗一 應(yīng)變片單臂特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)，將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路進一步將電阻的改變轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號輸出。可用于能轉(zhuǎn)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(yīng)用十分廣泛。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)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)

2、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)地改變，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、材料的電阻率為時，根據(jù)電阻的定義式得 （11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時，其長度l、截面積a和電阻率的變化為dl、da、d相應(yīng)的電阻變化為dr。對式（11）全微分得電阻變化率 dr/r為： （12）式中：dl/l為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量l; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量r由材料力學(xué)得： l= - r (13)式中：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（13）代入式（12）得： （14）式（14）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取

3、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。 (1)、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 （15）其靈敏度系數(shù)為：k= 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)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(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。 (2)、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dr/rd。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理，使得它的電阻率發(fā)生變

4、化，這種物理現(xiàn)象我們稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。且不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。 半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，可正可負(fù)，與材料性質(zhì)和應(yīng)變方向有關(guān)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)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(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴

5、散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。本實驗以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)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11所示。(a) 絲式應(yīng)變片 (b) 箔式應(yīng)變片圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(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)生機械變形時，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： rrk 式中：rr為電阻絲電阻相對變化，k為應(yīng)變靈敏系數(shù),=l/l為電阻絲長度相對變化。5、測量電路 為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)

6、用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓或電流信號一般都采用雙臂或全橋工作。基本電路如圖12（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖12 應(yīng)變片測量電路（a）、單臂uouu(r4r4)(r4r4r3)r1(r1r2)e（r1r2）（r4r4）

7、r1（r3r4r4）（r3r4r4）（r1r2）e設(shè)r1r2r3r4，且r4r4rr1，rrk。則uo(14)(r4r4)e(14)(rr)e(14)ke(b)、雙臂(半橋)同理:uo(12)(rr)e(12)ke(c)、全橋同理:uo(rr)eke6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D 圖13 應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖中r1、r2、r3為350固定電阻，r4為應(yīng)變片； w1和r組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，供橋電源直流4v。橋路輸出電壓uo(14)(r4r4)e(14)(rr)e(14)ke 。三、需用器件與單元：機頭中的應(yīng)變梁、振動臺；主板中的箔式應(yīng)變片、電橋、4v電源、差動放大器、f/v電壓表、砝碼；

8、 4位數(shù)顯萬用表（自備）。四、需用器件與單元介紹：熟悉需用器件與單元在傳感器箱中機頭與主板的布置位置(參閱以上說明書二、實驗箱組成圖)。1、圖14為主板中的電橋單元。圖中：菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參考而設(shè)，無其它實際意義)。r1=r2=r3=350是固定電阻，為組成單臂應(yīng)變和半橋應(yīng)變而配備的其它橋臂電阻。w1電位器、r電阻為電橋直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)，w2電位器、c電容為電橋交流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)。圖14 電橋單元2、圖15為主板中的差動放大器單元。圖中：左圖是原理圖。其中：ic1-1 ad620是差動輸入的測量放大器(儀用放大器)；ic1-2為調(diào)零跟隨器。右圖為面板圖。圖15 差動放大器

9、原理與面板圖五、實驗步驟：1、 在應(yīng)變梁自然狀態(tài)（不受力）的情況下，用4位數(shù)顯萬用表2k電阻檔測量所有應(yīng)變片阻值；在應(yīng)變梁受力狀態(tài)（用手壓、提振動臺）的情況下，測應(yīng)變片阻值，觀察一下應(yīng)變片阻值變化情況(標(biāo)有上下箭頭的4片應(yīng)變片縱向受力阻值有變化；標(biāo)有左右箭頭的2片應(yīng)變片橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片)。如下圖16所示。圖16觀察應(yīng)變片阻值變化情況示意圖2、 差動放大器調(diào)零點：按圖17示意接線。將fv表的量程切換開關(guān)切換到2v檔，合上實驗箱主電源開關(guān)，將差動放大器的撥動開關(guān)撥到“開”位置，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)到底后再逆向回轉(zhuǎn)半圈，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差

10、動放大器的零點調(diào)節(jié)完成，關(guān)閉主電源。圖17 差放調(diào)零接線圖3、應(yīng)變片單臂電橋特性實驗：將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片(標(biāo)有上下箭頭的4片應(yīng)變片中任意一片為工作片)與電橋單元中r1、r2、r3組成電橋電路，電橋的一對角接4v直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將w1電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中(w1電位器二固定端接電橋的4v電源端、w1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖18示意接線(粗細(xì)曲線為連接線)。圖18 應(yīng)變片單臂電橋特性實驗接線示意圖檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，在機頭上應(yīng)變梁的振動臺無砝碼時調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)w1電位器，使電壓表顯示為0或

11、接近0(有小的起始電壓也無所謂，不影響應(yīng)變片特性與實驗)。 在應(yīng)變梁的振動臺中心點上放置一只砝碼(20g只)，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，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。表1 應(yīng)變片單臂電橋特性實驗數(shù)據(jù)重量(g)電壓(mv)根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度sv/w（v輸出電壓變化量，w重量變化量）和非線性誤差，=m/yfs 100式中m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(guān)閉電源。六、思考題：1、r轉(zhuǎn)換成v輸出用什么方法?2、根據(jù)圖4機頭中應(yīng)變梁結(jié)構(gòu)，在振動臺放置砝碼后分析上、下梁片中應(yīng)變片的應(yīng)變方向(是拉?還是壓?)?實

12、驗二 應(yīng)變片半橋特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）工作特點及性能。二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實驗一。應(yīng)變片半橋特性實驗原理如圖21所示。不同受力方向的兩片應(yīng)變片（上、下二片梁的應(yīng)變片應(yīng)力方向不同）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(12)(rr)e(12)ke 。圖21 應(yīng)變片半橋特性實驗原理圖三、需用器件與單元：機頭中的應(yīng)變梁、振動臺；主板中的箔式應(yīng)變片、電橋、4v電源、差動放大器、f/v電壓表、砝碼。四、實驗步驟：除實驗接線按圖22接線即電橋單元中r1、r2與相鄰的二片應(yīng)變片組成電橋電路外。實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處理方法與實驗一完全相同。實驗完畢，關(guān)閉電源。圖22 應(yīng)變式傳感器半橋接線示意圖五、思考題：半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)接在：（1）對邊?（2）鄰邊?為什么?實驗三 應(yīng)變片全橋特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片全橋工作特點及性能。二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實驗一。應(yīng)變片全橋特性實驗原理如圖31所示。應(yīng)變片全橋測量電路中，將受力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，相反的?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：r1r2r3r4，其變化值r1r2r3r4時，其橋路輸出電壓uo(rr)eke。其輸出