實(shí)驗(yàn)一-應(yīng)變式傳感器

實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變式傳感器 一、應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?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(cè)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(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)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)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)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(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得（1—1）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率ρ的變化為dL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式（1—1）全微分得電阻變化率dR/R為：（1—2）式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量εL;dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量εr

由材料力學(xué)得：

εL=-μεr

(1—3)

式中：μ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(hào)表示兩者的變化方向相反。將式（1—3）代入式（1—2）得：（1—4）式（1—4）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(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(duì)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（1—5）其靈敏度系數(shù)為：K=金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)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/R<≈dρ?ρ。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)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(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。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)，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(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。＊本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。

4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬箔式材料的基板上，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。圖1—6差動(dòng)放在器調(diào)零接線示意圖4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖1—7示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。圖1—7應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖表1應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重量(g)0電壓(mV)05、根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線并計(jì)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(cè)量時(shí)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(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。二、應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）工作特點(diǎn)及性能。（二）、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實(shí)驗(yàn)一。應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖2—1所示。不同應(yīng)力方向的兩片應(yīng)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(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖（三）、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼。（四）、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按實(shí)驗(yàn)一（單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)）中的步驟1和步驟3實(shí)驗(yàn)。2、關(guān)閉主機(jī)箱電源，除將圖1—7改成圖2—2示意圖接線外，其它按實(shí)驗(yàn)一中的步驟4實(shí)驗(yàn)。讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，填入表2中。圖2—2應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)接線示意圖表2應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)重量(g)0電壓(mV)03、根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算靈敏度S＝ΔV/ΔW，非線性誤差δ。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。 （五）、思考題：半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：（1）對(duì)邊（2）鄰邊。三、應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。（二）、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實(shí)驗(yàn)一。應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖3—1所示。應(yīng)變片全橋測(cè)量電路中，將應(yīng)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：R1＝R2＝R3＝R4，其變化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時(shí)，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(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)接線示意圖（三）、需用器件和單元：主機(jī)箱中的±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼。（四）、實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟與方法（除了按圖3—2示意接線外）參照實(shí)驗(yàn)二，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3作出實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。圖3—2應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線示意圖表3全橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重量(g)電壓(mV)（五）、思考題：測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2時(shí)，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。四、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(shí)的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。（二）、基本原理：如圖4（a）、（b）、（c） （a）單臂（b）半橋（c）全橋圖4應(yīng)變電橋（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設(shè)R1＝R2＝R3＝R4，且△R1／R1＜＜1。Uo≈(1／4)(△R1／R1)E所以電橋的電壓靈敏度: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）、需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼。（四）、實(shí)驗(yàn)步驟：根據(jù)實(shí)驗(yàn)一、二、三所得的單臂、半橋和全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，從理論上進(jìn)行分析比較。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證闡述理由（注意：實(shí)驗(yàn)一、二、三中的放大器增益必須相同）。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、應(yīng)變片直流全橋的應(yīng)用—電子秤實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。（二）、基本原理：常用的稱重傳感器就是應(yīng)用了箔式應(yīng)變片及其全橋測(cè)量電路。數(shù)字電子秤實(shí)驗(yàn)原理如圖5—1。本實(shí)驗(yàn)只做放大器輸出Vo實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)電路的標(biāo)定使電路輸出的電壓值為重量對(duì)應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺(tái)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(jī)箱中的±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼。（四）、實(shí)驗(yàn)步驟：1、按實(shí)驗(yàn)一中的1和3步驟實(shí)驗(yàn)。2、關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖3—2（應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線示意圖）示意接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)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(diào)節(jié)電位器RW3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測(cè)量)。4、拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。5、重復(fù)3、4步驟的標(biāo)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(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。砝碼重量(g)測(cè)量值(g) 六、應(yīng)變片的溫度影響實(shí)驗(yàn)（一）、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉁囟葘?duì)應(yīng)變片測(cè)試系統(tǒng)的影響。（二）、基本原理：電阻應(yīng)變片的溫度影響，主要來自兩個(gè)方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應(yīng)變柵的線膨脹系數(shù)與彈性體（或被測(cè)試件）的線膨脹系數(shù)不一致會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此當(dāng)溫度變化時(shí)，在被測(cè)體受力狀態(tài)不變時(shí)，輸出會(huì)有變化。（三）、需用器件與單元：主機(jī)箱中±2V～±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±