《傳感器技術(shù)及其應(yīng)用》第07單元 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用-稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)

第7 單元

電阻應(yīng)變式

傳感器應(yīng)用--稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)任務(wù)二實(shí)驗(yàn)原理任務(wù)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜蝿?wù)三實(shí)驗(yàn)步驟單元任務(wù)預(yù)覽一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娮钁?yīng)變片的的結(jié)構(gòu)工作原理了解電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)了解直流全橋電阻應(yīng)變片的工作特點(diǎn)及原理掌握稱(chēng)重傳感模塊的原理并掌握其測(cè)量方法任務(wù)二實(shí)驗(yàn)原理任務(wù)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜蝿?wù)三實(shí)驗(yàn)步驟原理說(shuō)明電阻應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。它將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器元件電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，靈敏度剛，測(cè)量速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。1.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與原理電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類(lèi)，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。（1）電子應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)包括：1）基底2）敏感柵3）蓋層4）引線(xiàn)（2）電阻的應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)圖如下原始電阻為:式中ρ——電阻絲的電阻率；L——電阻絲的長(zhǎng)度；A——電阻絲的截面積。當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)從而引起電阻值變化量。關(guān)系可表示為：即μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。K定義電阻絲的靈敏度系數(shù)（物理意義）為單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為：（3）應(yīng)變片的主要參數(shù)1）應(yīng)變片的電阻值2）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)3）應(yīng)變片的應(yīng)變極限4）應(yīng)變片的疲勞壽命當(dāng)應(yīng)變片出現(xiàn)以下三種情形之一者，即可認(rèn)為是疲勞損壞：（a）敏感柵或引線(xiàn)發(fā)生斷路；（b）應(yīng)變片輸出幅值變化10%；（c）應(yīng)變片輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。2.電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成后，由于應(yīng)變量及其應(yīng)變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路或儀器，把應(yīng)變片的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。根據(jù)電源的不同，電橋分直流電橋和交流電橋。直流電橋電路圖：交流電橋電路：（1）直流電橋工作原理輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓，其表達(dá)式為：（2）電阻應(yīng)變片的測(cè)量電橋電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量直流電橋電路：受到拉應(yīng)變，電路輸出電壓為：假設(shè)一只受拉，一只受壓，且受力相等，使得應(yīng)變片的電阻變化大小也相等，即，電路的輸出電壓為：（3）應(yīng)變片直流全橋電路將4只應(yīng)變片接入電橋，且差動(dòng)工作，電路構(gòu)成四臂直流電橋。當(dāng)電橋四個(gè)臂的電阻發(fā)生改變而產(chǎn)生增量時(shí)，假定和臂受到拉應(yīng)變，和臂受到壓應(yīng)變，此時(shí)若四臂電阻變化相等，即,則輸出電壓為：若四臂電阻變化不等，則：3.電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)原理電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成的。（1）粘貼工藝步驟1）應(yīng)變片的檢查與選擇2）試件的表面處理3）底層處理4）貼片5)固化6)粘貼質(zhì)量檢查

7)引線(xiàn)焊接與組橋連線(xiàn)（2）測(cè)試原理在材料力學(xué)總，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：式中,F為傳感器所受的應(yīng)力；ε為其應(yīng)變量；A為其面積；E為材料的彈性模量。4.電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路在實(shí)際應(yīng)用中，四個(gè)電阻應(yīng)變片阻值不可能做到絕對(duì)相等，導(dǎo)線(xiàn)電阻和接觸電阻也有差異，增加補(bǔ)償措施使得器件結(jié)構(gòu)相對(duì)麻煩，因此電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)成的電橋在實(shí)際測(cè)量時(shí)必須調(diào)節(jié)電阻平衡。應(yīng)力和電壓的關(guān)系為：式中定義為應(yīng)力與電壓的轉(zhuǎn)變系數(shù)，K、A、E可視為常數(shù)，是直流電橋供電電壓

傳感器測(cè)量電路框圖:5.NEWLab稱(chēng)重傳感模塊認(rèn)識(shí)（1）稱(chēng)重傳感模塊電路板認(rèn)識(shí)①YZC-1b稱(chēng)重傳感器；②稱(chēng)重傳感器橋式電路的接口；③平衡調(diào)節(jié)電位器；④橋式電阻應(yīng)變片平衡電路；⑤信號(hào)放大模塊；⑥J1接口，測(cè)量直流電橋平衡電路輸出的正端電壓，即AD623正端輸入（3腳）電壓；⑦J2接口，測(cè)量直流電橋平衡電路輸出的負(fù)端電壓，即AD623負(fù)端輸入（2腳）電壓；⑧接地GND接口J4；⑨信號(hào)AD值接口接口J3，測(cè)試經(jīng)信號(hào)放大模塊放大后電路輸出的電壓，該電壓由AD623（6腳）輸出，經(jīng)R3和R7分壓后采集R7的電壓；信號(hào)放大電路:輸出電壓經(jīng)過(guò)分壓后作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓，即模塊中信號(hào)AD值對(duì)地電壓，它的為：信號(hào)放大的放大系數(shù)為：（2）稱(chēng)重傳感模塊場(chǎng)景模擬界面認(rèn)識(shí)任務(wù)二實(shí)驗(yàn)原理任務(wù)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜蝿?wù)三實(shí)驗(yàn)步驟1.啟動(dòng)稱(chēng)重傳感模塊 稱(chēng)重傳感模塊工作實(shí)圖如圖（1）將NEWLab實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)通電并與電腦連接。（2）將稱(chēng)重傳感模塊放置在NEWLab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K插槽上。（3）將模式選擇調(diào)整到自動(dòng)模式，按下電源開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使稱(chēng)重傳感模塊開(kāi)始工作。（4）啟動(dòng)NEWLab實(shí)驗(yàn)上位機(jī)軟件平臺(tái)，選擇稱(chēng)重傳感。（5）選擇硬件連接說(shuō)明，上位機(jī)軟件平臺(tái)檢測(cè)硬件通過(guò)，如圖7-13所示。（6）選擇場(chǎng)景模擬實(shí)驗(yàn)，上位機(jī)軟件測(cè)試硬件平臺(tái)的稱(chēng)重