傳感器實(shí)驗(yàn)報告-3

傳感器實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片——單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理:電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)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：ΔR/R=Kε式中ΔR/R為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化，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，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反應(yīng)了相應(yīng)的受力狀態(tài)。對單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)圖(1-1)應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)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(jìn)行測量判別，R1=R2=R3=R4=350Ω，加熱絲阻值為50Ω左右。圖1-1應(yīng)變式傳感安裝示意圖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(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器Rw3順時針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行差動放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)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)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔)。關(guān)閉主控箱電源。3、將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)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1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。圖1-2應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖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(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)4.67.211.916.521.326.130.835.841.246.45、根據(jù)表1-1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。（1）計算機(jī)繪圖：擬合方程為:

y=0.2235x;其中：重量取x（g）,電壓y(mv)R2=0993擬合直線能夠以大于99.3%地解釋、涵蓋了實(shí)測數(shù)據(jù)，具有很好的一般性。系統(tǒng)的靈敏度為0.2235v/kg.（2）系統(tǒng)線性誤差計算重量(g)20406080100120140160180200擬合電壓(mV)4.478.9413.4117.8822.3626.8231.2935.7640.2344.7實(shí)驗(yàn)電壓(mV)4.67.211.916.521.326.130.835.841.246.4偏差電壓(mV)-0.131.741.511.381.060.720.49-0.04-0.97-1.7輸出值與擬合直線的最大偏差Δm=1.74mV;滿量程輸出y=46.4mV;δ=±Δm/y×100%=±1.74/46.4×100%=±3.75%五、思考題：單臂電橋時，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：(1)正(受拉)應(yīng)變片(2)負(fù)(受壓)應(yīng)變片(3)正、負(fù)應(yīng)變片均可以。答：(1)正(受拉)應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)二金屬箔式應(yīng)變片——半橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^半橋與單臂電橋的不同性能，了解其特點(diǎn)。二、基本原理：不同受力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時，其橋路輸出電壓U02=EK/ε2。三、需用器件與單元：同實(shí)驗(yàn)一。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、傳感器安裝同實(shí)驗(yàn)一。做實(shí)驗(yàn)(一)2的步驟，實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒臃糯笃髡{(diào)零。2、參考圖1-2，將適當(dāng)?shù)膬善瑧?yīng)變片接入橋路。R1、R2為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反(一片受拉、一片受壓)的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零，實(shí)驗(yàn)步驟3、4同實(shí)驗(yàn)一中4、5的步驟，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1-2，計算靈敏度S=ΔU/ΔW，非線性誤差δf2。若實(shí)驗(yàn)時無數(shù)值顯示說明R2與R1為相同受力狀態(tài)應(yīng)變片，應(yīng)更換另一個應(yīng)變片。圖1-3應(yīng)變片傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖表1-2半橋測量時，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)102030405060708090100擬合方程為:

y=0.5x;其中：重量取x（g）,電壓y(mv)R2=1擬合直線能夠完全的解釋、涵蓋了實(shí)測數(shù)據(jù)，具有很好的一般性。系統(tǒng)的靈敏度為10V/kg（2）系統(tǒng)線性誤差計算重量(g)20406080100120140160180200實(shí)驗(yàn)電壓(mv)102030405060708090100擬合電壓(mv)102030405060708090100偏差電壓(mv)0000000000輸出值與擬合直線的最大偏差Δm=0mV;滿量程輸出y=100mV;δ=±Δm/y×100%=0傳感器線性度極好五、思考題：1、半橋側(cè)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)放在：(1)對邊(2)鄰邊。答：鄰邊因?yàn)?，兩個應(yīng)變片的性能相似，放在臨邊，在金屬箔片收到壓力時，一個應(yīng)變片電阻增大，一個應(yīng)變片電阻減小，如果兩個應(yīng)變片放在對邊，則，他們的變化就會相互抵消掉，由于性能上的接近，甚至?xí)?dǎo)致實(shí)驗(yàn)輸出為0，只有放在臨邊，才能將兩個應(yīng)變片的獨(dú)立性發(fā)揮出來，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該比原來單應(yīng)變片靈敏度上要高一倍。2、橋路(差動電橋)測量時存在非線性誤差，是因?yàn)椋?1)電橋測量原理上存在非線性(2)應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的(3)調(diào)零值不是真正為零。答：(1)占據(jù)的因素比較大,電橋本身的實(shí)驗(yàn)原理就存在系統(tǒng)誤差。但是(2),應(yīng)變片理論上講，也不是完全符合線性規(guī)律的，只是很接近線性規(guī)律或者人為的將其模式化而已。實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片——全橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私馊珮驕y量電路優(yōu)點(diǎn)。二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?dāng)應(yīng)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U03=KEε。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。三、需用器件和單元：同實(shí)驗(yàn)一。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、傳感器安裝同實(shí)驗(yàn)一。2、參考圖1-2接線，將四片應(yīng)變片接入橋路。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-3；進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計算。圖1-4全橋性能實(shí)驗(yàn)接線圖表1-3全橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)20406081101121142162182202擬合方程為:

y=1.0136x-0.4;其中：重量取x（g）,電壓y(mv)R2=1擬合直線能夠完全的解釋、涵蓋了實(shí)測數(shù)據(jù)，具有很好的一般性。系統(tǒng)的靈敏度為1.0136V/kg（2）系統(tǒng)線性誤差計算重量(g)20406080100120140160180200實(shí)驗(yàn)電壓(mV)20406081101121142162182202擬合電壓(mV)19.87240.14460.41680.688100.96121.232141.504161.776182.048202.32偏差電壓(mV)0.128-0.144-0.4160.3120.04-0.2320.4960.224-0.048-0.32輸出值與擬合直線的最大偏差Δm=0.496mV;滿量程輸出y=202mV;δ=±Δm/y×100%=±0.496/202×100%=±0.25%五、思考題：1、全橋測量中，當(dāng)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：(1)可以(2)不可以。答：(2)不可以2、某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如何利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。答：選擇第二組，因?yàn)榈诙M的應(yīng)變片在兩個方向上都有，利用兩組不同的數(shù)據(jù)就可以組建全橋，從而測得數(shù)據(jù)。圖1-5應(yīng)變式傳感器受拉時傳感器圓周面展開圖實(shí)驗(yàn)四金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模罕容^單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。二、實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)實(shí)驗(yàn)一、二、三所得的數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)系中分別作出單臂、半橋和全橋的電壓/重量輸出曲線，分別計算其靈敏度和非線性度，并從理論上進(jìn)行論證、闡述(注意：實(shí)驗(yàn)一、二、三中的放大器增益必須相同)。三、數(shù)據(jù)與理論分析(1)單臂、半橋、和全橋的電壓/重量曲線(2)從實(shí)驗(yàn)一、二、三中可以得到單臂電橋?qū)嶒?yàn)：靈敏度：0.2235v/kg.非線性度：δ=±3.75%.半橋?qū)嶒?yàn)：靈敏度：0.5V/kg.非線性度：δ=0%.全橋?qū)嶒?yàn)：靈敏度：1.0136V/kg.非線性度：δ=±0.25%.(3)理論論證：單臂電橋?qū)嶒?yàn)U=((R1+ΔR)/(R5+R1+ΔR)–R7/(R6+R7))U≈ΔR*R5/((R5+R1)(R5+R1))*U半橋?qū)嶒?yàn)：U=((R1+ΔR)/(R5-ΔR+R1+ΔR)–R7/(R6+R7))U≈ΔR/2R1*U全橋?qū)嶒?yàn)：U=((R1+ΔR)/(R2-ΔR+R1+ΔR)–(R4-ΔR)/(R2