實驗一-應變式傳感器

實驗一應變式傳感器 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生應變而其電阻值也會產生相應地改變，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，根據電阻的定義式得（1—1）當導體因某種原因產生應變時，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)

式中：μ為材料的泊松比，大多數金屬材料的泊松比為0.3～0.5左右；負號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）說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。

2、應變靈敏度

它是指電阻應變片在單位應變作用下所產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?。?—5）其靈敏度系數為：K=金屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化，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。

(2)、半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；dR/R<≈dρ?ρ。半導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體顯著得多的壓阻效應。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應。不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減?。┑膲鹤栊?。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。

半導體材料的電阻應變效應主要體現(xiàn)為壓阻效應，其靈敏度系數較大，一般在100到200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差動放在器調零接線示意圖4、應變片單臂電橋實驗：關閉主機箱電源，按圖1—7示意圖接線，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；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放置)，讀取相應的數顯表電壓值，記下實驗數據填入表1。圖1—7應變片單臂電橋實驗接線示意圖表1應變片單臂電橋性能實驗數據重量(g)0電壓(mV)05、根據表1數據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。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。（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應變片半橋實驗數據重量(g)0電壓(mV)03、根據表2實驗數據作出實驗曲線，計算靈敏度S＝ΔV/ΔW，非線性誤差δ。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：（1）對邊（2）鄰邊。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，將實驗數據填入表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全橋性能實驗數據重量(g)電壓(mV)（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：（1）可以（2）不可以。四、應變片單臂、半橋、全橋性能比較（一）、實驗目的：比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結論。（二）、基本原理：如圖4（a）、（b）、（c） （a）單臂（b）半橋（c）全橋圖4應變電橋（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：根據實驗一、二、三所得的單臂、半橋和全橋輸出時的靈敏度和非線性度，從理論上進行分析比較。經實驗驗證闡述理由（注意：實驗一、二、三中的放大器增益必須相同）。實驗完畢，關閉電源。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。砝碼重量(g)測量值(g) 六、應變片的溫度影響實驗（一）、實驗目的：了解溫度對應變片測試系統(tǒng)的影響。（二）、基本原理：電阻應變片的溫度影響，主要來自兩個方面。敏感柵絲的溫度系數，應變柵的線膨脹系數與彈性體（或被測試件）的線膨脹系數不一致會產生附加應變。因此當溫度變化時，在被測體受力狀態(tài)不變時，輸出會有變化。（三）、需用器件與單元：主機箱中±2V～±10V（步進可調）直流穩(wěn)壓電源、±