电阻应变片传感器实验.ppt

电阻应变式传感器 传感器 传感器是将电子系统无法处理的外界物理量转换为电信号的主要器件 对于测量与控制系统来说 传感器是构成对外界物理量加以检测的前端器件 传感器是系统感知外界信息的 五官 和系统内部工作的 神经 传感器是实现信息化的基础技术之一 在当代科学技术领域中占有十分重要的地位 传感器已广泛应用于国防 环保 工业 农业 交通运输 日常生活等所有领域 并伴随着现代科学技术的进步而不断发展 一 实验目的1 了解金属箔式应变片的应变效应 电桥工作原理 基本结构及应用 2 研究和比较单臂 半桥 全桥的灵敏度和特性 得出相应结论 二 实验仪器CSY系列传感器系统实验仪 直流稳压源 金属箔式应变片 直流调平衡电位器 双平行式悬臂梁 螺旋测微头 差动放大器 数字电压表 电阻应变片传感器是目前用于测量力 力矩 压力 加速度 重量等参数最广泛的传感器之一 它是利用应变效应制造的一种测量微小变化量 机械 的理想传感器 金属丝在外力 拉力或压力 作用下发生机械形变时 其电阻值会发生变化 这就是金属的电阻应变效应 金属的电阻表达式 R L S 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时 将伸长 L 横截面积相应减小 S 电阻率因晶格变化等因素的影响而改变 故引起电阻值变化 R 对上式全微分 并用相对变化量来表示 则有 三 实验原理 又可以表示为 R R K 上式即为电阻应变效应的表达式 式中 R R为电阻丝电阻相对变化 K为应变灵敏系数 受两个因素影响 一个是材料的几何尺寸变化引起的 另一个是材料的电阻率随应变引起的 称 压阻效应 对于金属材料而言 以前者为主 实验也表明 在金属丝拉伸比例极限内 电阻相对变化与轴向应变成比例 通常金属丝的灵敏系数 2左右 L L为电阻丝长度相对变化 金属箔式应变片是通过光刻 腐蚀等工艺制成的应变敏感元件 通过它转换被测部位受力状态变化 电桥的作用完成电阻到电压的比例变化 电桥的输出电压反映了相应的受力状态 本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体 应变采用双平行梁结构 平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片 受力工作片分别用符号和表示 其中六片为金属箔式片 BHF 350 横向所贴的两片为温度补偿片 用符号和表示 片上标有 BY 字样的为半导体式应变片 梁的顶端装有一位移平台 位移平台上方装有一测微头 旋动测微头 可使位移平台上下位移 使应变梁弯曲变形 粘贴在梁上的电阻应变片也随之变形 使电阻应变片的电阻值产生变化 将这些应变片组成电桥 就可测得应变片的电阻值产生的变化 就可测得应变桥路的输出特性 即电桥输出电压 V mv 与位移 X mm 的函数关系 V f x 本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体 应变采用双平行梁结构 平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片 受力工作片分别用符号和表示 其中六片为金属箔式片 BHF 350 横向所贴的两片为温度补偿片 用符号和表示 片上标有 BY 字样的为半导体式应变片 梁的顶端装有一位移平台 位移平台上方装有一测微头 旋动测微头 可使位移平台上下位移 使应变梁弯曲变形 粘贴在梁上的电阻应变片也随之变形 使电阻应变片的电阻值产生变化 将这些应变片组成电桥 就可测得应变片的电阻值产生的变化 就可测得应变桥路的输出特性 即电桥输出电压 V mv 与位移 X mm 的函数关系 V f x 本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体 应变采用双平行梁结构 平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片 受力工作片分别用符号和表示 其中六片为金属箔式片 BHF 350 横向所贴的两片为温度补偿片 用符号和表示 片上标有 BY 字样的为半导体式应变片 梁的顶端装有一位移平台 位移平台上方装有一测微头 旋动测微头 可使位移平台上下位移 使应变梁弯曲变形 粘贴在梁上的电阻应变片也随之变形 使电阻应变片的电阻值产生变化 将这些应变片组成电桥 就可测得应变片的电阻值产生的变化 就可测得应变桥路的输出特性 即电桥输出电压 V mv 与位移 X mm 的函数关系 V f x 测量电路 应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的 由于机械应变一般都很小 通常金属电阻应变片灵敏度系数K也很小 电阻的相对变化也很小的 用一般测量电阻的仪表很难直接测出来 必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化 同时 要把电阻相对的变化 R R转换为电压或电流的变化 因此 需要设计专用的测量电路 最常用的电路为电桥电路 直流电桥的电压输出 当电桥输出端接有放大器时 由于放大器的输入阻抗很高 所以 可以认为电桥的负载电阻为无穷大 这时电桥以电压的形式输出 输出电压即为电桥输出端的开路电压 其表达式为 当电桥处于平衡状态 电桥各桥臂电阻满足条件 R1R3 R2R4 此时电桥输出电压为零 结果温度的影响被消除 电桥为单臂工作状态 即R1为应变片 其余桥臂均为固定电阻 当R1感受应变产生电阻增量 R1时 由于 R1 R1 电桥输出电压通过对上式微分得 由此可知 当电源电压U和电阻相对变化一定时 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值 且与各桥臂阻值大小无关 半桥时 R1 R2为应变片电阻 若使一个应变片受拉 一个受压 则应变符号相反 测试时 将两个应变片接入电桥的相邻臂上 增量电阻为 R1 R2 R3和R4为固定电阻R 同理可得 可见半桥的输出比单臂电桥增大一倍 可提高测量灵敏度 全桥时 R1 R2 R3 R4 R 都是应变片 而且 R1 R3 R R2 R4 R 此时电桥电压输出为 四 实验内容及步骤 1 灵敏度测量2 三种桥路性能比较 步骤 1 差动放大器调零 用连线将差动放大器的正 负 地短接 将差动放大器的输出端与电压 频率表的输入插口in相连 电压 频率表放在2V档 开启电源 调节差动放大器的 差动增益 到最大位置 然后调整差动放大器的 差动调零 旋钮使电压 频率表显示为零 关闭电源 注意 一旦调零后 调零电位器就不要再动 以弹性梁的水平状态下电路输出电压为零为测量起点 转动测微头 使弹性梁向下弯曲 每向下移动0 500mm记录一个差动放大器的输出电压 直到向下移动了5 000mm 记录数据 将平行式悬臂梁调至水平 目测 测微头起始点的合适位置是能向上 向下移动5mm 根据图接线R2 R3 R4为电桥单元的固定电阻 R1为应变片 将稳压电源的切换开关置 4V挡 F V表置20V挡 开启电源 调节电桥平衡网络中的WD 使F V表显示为零 等待数分钟后将电压 频率表置2V挡 再调电桥WD 慢慢地调 使电压 频率表显示为零 2 连接电路 然后沿反方向转动测微头至开始输出电压为零的测量起点处 静等2分钟后记录电压表的读数和符号 再次调节WD使差动放大器的输出电压为 0 导线的拔插机械滞后 向上转动测微头 使弹性梁向上弯曲 每向上移动0 500mm记录一次输出电压值 直到测微头向上移动5 000mm 计算应变片向下和向上移动时的灵敏度S V X 并画出向下和向上运动时V X关系曲线 2 三种桥路性能比较 测试半桥电路的性能 测试全桥电路的性能 实验方法和要求 根据电子电路知识 实验前设计出实验电路连线图 独力完成实验电路连线 找出这三种电桥输出电压与位移之间的关系 在同一坐标中绘出三个电路的 X V关系曲线 分析 计算三种不同桥路的曲线斜率即系统灵敏度S U X U输出电压变化量 X位移变化量 比较分析三种接法的灵敏度的比值 与理论比值比较 注意 由于对位移测量时 测微头要从水平位置 正的最大值 回复到零 水平位置 负的最大值 容易造成零点偏移 因此在计算灵敏度时可以将正的的灵敏度与负的的灵敏度分别计算 再求其平均值 注意事项 1 在