电阻应变式传感器-实验报告

1 大连理工大学 大大 学学 物物 理理 实实 验验 报报 告告 院 系 材料学院 专业 材料物理 班级 0705 姓 名 童凌炜 学号 200767025 实验台号 实验时间 2009 年 03 月 06 日 第 二 周 星期 五 第 5 6 节 实验名称实验名称 电阻应变式传感器 教师评语 实验目的与要求 实验目的与要求 1 学习电阻应变式传感器的基本原理 结构 特性和使用方法 2 测量比较几种应变式转换电路的输出特性和灵敏度 3 了解温度变化对应变测试系统的影响和温度补偿方法 主要仪器设备 主要仪器设备 CSY10A型传感器系统实验仪 实验原理和内容 实验原理和内容 1 应变效应 导体或半导体在外力的作用下发生机械变形时 其阻值也会发生相应的变化 成为应变效应 电阻应变片的工作原理即是基于这种效应 将本身受力形变时发生的阻值变化通过测量电路转换 为可使用的电压变化等以提供相关力的大小 金属丝的电阻应变量可由以下算式表达 金属丝的原始电阻值为 收到轴向拉力时 发生电阻值变化 变化比例的表达式 S L R R 为 根据金属丝在力学和材料学上的相关性质 在弹性范围内可以对公 S S L L R R 式进行改写 得到 其中系数 k 称为电阻应变片的灵敏 L L k L L L L R R 21 系数 表示单位应变量引起的电阻值变化 它与金属丝的几何尺寸变化和本身的材料特性有关 成 绩 教师签字 2 一般半导体的灵敏系数要远大于金属的灵敏系数 由于受力会影响到半导体内部的载流子运 动 固可以非常灵敏地反映细微的变化 2 电阻式应变传感器的测量电路 转换电路的作用是将电阻变化转换成电压或电 流输出 电阻应变式传感器中常用的是桥式电 路 本实验使用直流电桥 驳接阻抗极高的仪器时 认为电桥的输出端断 路 只输出电压信号 根据电桥的平衡原理 只有当电桥上的应变电阻发生阻值变化时 电压信号即发生变化 电桥的灵敏度定义为 RR V kv 根据电阻变化输入电桥的方法不同 可以分为 单臂 半桥和全桥输入三种方式 2 1 单臂电桥 只接入一个应变电阻片 其余为固定电阻 设电桥的桥臂比为 根据电桥的工作n R R R R 2 3 1 4 原理 并忽略一些极小的无影响的量 可以得到输出电压的表达式为 同 1 1 1 2 R R n nU V 时得到单臂电桥灵敏度表达式 2 1 n nU RR V kv 单臂电桥的实际输出电压与电阻变化的关系是非线性的 存在非线性误差 故不常使用 2 2 半桥 如图 接入两个应变电阻和固定电阻 设初始状态为 R1 R2 R3 R4 R R1 R2 R 可 以得到电压表达式 半桥灵敏度表达式 可见输出电压与电阻的变化严U R R V 2 1 Ukv 2 1 格呈线性关系 不存在线性误差 灵敏度比单臂电桥提高了一倍 2 3 全桥 全部电阻都使用应变电阻 且相邻的两个臂 3 的受力方向相反 根据电桥性质可以得到电压及灵敏度的表达式 U R R V 可见差动电桥的灵敏度比单臂电桥提高了 4 倍 故广泛被使用 U RR V S 补偿片的方法消除温度带来的漂移误差 在单臂电桥中 将与工作电阻同侧的固定电阻更换成 相同受力方向的补偿片 且原始电阻值相等 这样在实际使用中 由于温度造成的电阻值变化 被抵消 且补偿片不受力 故可以消除电压的漂移输出 步骤与操作方法 步骤与操作方法 1 箔式单臂电桥的性能 1 1 差动放大器调零 打开所用单元 的电源开关 差放器增益置于 100 倍 并进行相关的其他调零处置 之后关 闭电源 1 2 按照右侧的电路图连接实验所需的 元件 组成箔式单臂电桥电路 1 3 调节悬臂梁头部铁心吸合的测微头 使应变梁处以基本水平状态 1 4 确定连线无误以后 启动仪器电源并预热数分钟 调整电桥 Wd 电位器 使测试系统的输 出为零 1 5 旋动测微头 带动悬臂梁分别向上和向下运动各 5mm 其中测微头每移动 0 5mm 记录一次 差动放大器输出的电压值 然后画出 x V 曲线 并计算桥路的灵敏度 kv V x 2 箔式单臂 半桥 全桥电路的性能比较 基本操作过程与实验 1 相同 其中连接电路部分分别使用上下梁的两个应变片 以构成半桥 或者全部使用应变片以构成全桥 并进行实验 记录数据 在同一坐标上画出三种桥路的 x V 曲线 并进行灵敏度的比较 3 箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿 3 1 参照实验 1 的步骤 将差动器的部件调零 3 2 参照实验 1 的电路连接所用的元件 并将差分放大器的输出端接毫伏表 将 P N 结温度传 感器接入传感端 Vt 接数字电压表 数字电压表置于 2V 档 显示环境的绝对温度 3 3 开启仪器的电源并预热数分钟 调整电桥的 Wd 电位器 使测试系统的输出为零 并记录 4 此时的温度 T 3 4 开启加热器电源 观察输出电压随温度上升所发生的变化 并记录多组数据 计算温度漂 移 V T 3 5 将 R4 换成与应变片处于同一个应变梁上的补偿片 重复以上实验数据 计算新的温度漂移 并与之前的进行比较 4 半导体单臂和半桥电路性能的比较 4 1 调零仪器 并按照电路图连接电路 R 是半导体应变片 R 是电桥上的固定电 阻 直流激励电源为 2V 开启电源后 预热数分钟 4 2 调节应变梁处于基本水平状态 调整 电桥 Wd 电位器 使测试系统输出为零 4 3 旋动测微头 以向上向下各 5mm 为限 0 5mm 为间隔记录数据 x V 并作 x V 曲线 计算灵敏度 4 4 重新调整应变梁处于基本水平状态 并重新调整输出为零 用 P N 结温度传感器测出系统 的温漂 4 5 按照电路图连接半导体半桥双臂电路 半导体应变片处于同一桥侧 重复以上 实验步骤 比较两种半导体桥路的灵敏 度和温度漂移 5 相关注意事项 5 1 在进行先向上再向下的位移操作中 易产生零点漂移 计算式可以将正负两个方向的 x 分 开计算灵敏度以后再取平均得到 5 数据记录与处理 数据记录与处理 单臂电桥数据 起始位置 X0 10 950mm X1 mm 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 U V 0 000 0 007 0 011 0 014 0 022 0 029 0 032 0 038 0 043 0 049 0 053 X2 mm 00 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 U V 0 016 0 010 0 009 0 004 0 0000 0030 0090 0130 0180 0230 028 半桥数据 起始位置 X0 10 950mm X1 mm 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 U V 0 000 0 008 0 016 0 030 0 042 0 050 0 062 0 072 0 082 0 095 0 102 X2 mm 00 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 U V 0 0030 0160 0260 0360 0490 0600 0740 0910 1020 1160 125 6 电压 位移关系 0 15 0 1 0 05 0 0 05 0 1 0 15 6 4 20246 X mm U V 单臂电桥电压 V 半桥电压 V 7 结果与分析 结果与分析 将单臂电桥和半桥的数据绘制成坐标散点图 并且拟合出直线 如上图所示 根据图中所添加的拟合直线 在直线上取样计算斜率 可以得到以下四个斜率 表现为各自的灵敏 度 使用 MLS 测量电路的灵敏度 kv V x 2 xx yxx i ii 负向形变 单臂电桥 X1 mm 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 U V 0 0 007 0 011 0 014 0 022 0 029 0 032 0 038 0 043 0 049 0 053 Xavg 2 5 Xi Xavg 2 521 510 50 0 5 1 1 5 2 2 5 xi yi 0 0 014 0 0165 0 014 0 011 00 0160 0380 06450 0980 1325 SUM xy 0 2935 Xi Xavg 26 2542 2510 2500 2512 2546 25 SUM x 2 27 5 k 0 0106 正向形变 单臂电桥 X2 mm 00 511 522 533 544 55 U V 0 016 0 01 0 009 0 00400 0030 0090 0130 0180 0230 028 Xavg 2 5 Xi Xavg 2 5 2 1 5 1 0 500 511 522 5 xi yi 0 040 020 01350 004000 00450 0130 0270 0460 07 SUM xy 0 238 Xi Xavg 26 2542 2510 2500 2512 2546 25 SUM x 2 27 5 k 0 00865 负向形变 半桥 X1 mm 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 5 U V 0 0 008 0 016 0 03 0 042 0 05 0 062 0 072 0 082 0 095 0 102 Xavg 2 5 Xi Xavg 2 521 510 50 0 5 1 1 5 2 2 5 xi yi 0 0 016 0 024 0 03 0 02100 0310 0720 1230 190 255 SUM xy 0 58 Xi Xavg 26 2542 2510 2500 2512 2546 25 SUM x 2 27 5 8 k 0 0210 正向形变 半桥 X2 mm 00 511 522 533 544 55 U V 0 0030 0160 0260 0360 0490 060 0740 0910 1020 1160 125 Xavg 2 5 Xi Xavg 2 5 2 1 5 1 0 500 511 522 5 xi yi 0 0075 0 032 0 039 0 036 0 0200 0370 0910 150 2320 31 SUM xy 0 6865 Xi Xavg 26 2542 2510 2500 2512 2546 25 SUM x 2 27 5 k 0 0249 综合以上四个计算结果来看 单位 V mm 单臂电桥正向灵敏度0 00865半桥正向灵敏度0 0249 单臂电桥负向灵敏度0 0106半桥负向灵敏度0 0210 单臂电桥平均灵敏度0 00912半桥平均灵敏度0 0229 从实验数据中得到的结果可见 半桥电路的灵敏度比单臂电桥的灵敏度的两倍还要高一些 kv2 0 0229 2 kv1 0 01824 这与理论计算上的 kv2 2 kv1 不相同 而半桥的灵敏度是严格等于 0 5U 的 说明实际上单臂电桥测量电路存在温度漂移和非线性误差 导致其实际的灵敏度要低于 0 25U 原因是应变电阻的变化量相比于固定电阻的阻值不可以被忽略 讨论 建议与质疑 讨论 建议与质疑 1 电阻应变片的工作原理是利用了金属的应变效应 即金属材料在外力作用下发生机械变形时 其阻值也要发生相应的变化 电阻应变片的灵敏系数是电阻应变值关于形变量的表达式中的一个 系数 其物理意义是单位应变量引起的电阻值相对变化的大小 灵敏系数与金属材料的几何尺 寸变化 以及材料本身的特性都有关系 半导体材料相比于金属材料 前者主要以圧阻效应为 主 即电阻产生变化的原因是由于应变引起能带的变形 从而使能带中的载流子发生变化 导 致电阻率的变化 因此能够反映出细微的变化 从而具有高于金属材料的灵敏系数 2 单臂电桥 半桥 全桥电路的共同点是应用了不平衡电桥的特点 将阻值的变化转换为电桥中 的电压输出 再通过相关的转换测量电路 将电压信号转换为便于使用的物理值 三种桥式电 路的不同点是所含有的应变片的数量 分别为一片 两片和四片 由于增加了应变片 使得 某一个桥臂上的电阻变化量能够消去其中微 9 小不确定量 从而使得桥式测量电路的灵敏度得到很大的提升 3 导致应变片阻值变化的因素有外力导致的应变片形变 和外界温度的影响 对测量桥路进行温 度补偿的方法是 将电桥上与电阻应变片同侧的固定电阻换成相同阻值 同种材料性质 但是 受力应变方向相互垂直的应变片 在这种情况下 温度变化对两个应变片的影响效果相同 从 而保证了电桥两边的平衡状态 或理论的非平衡状态 消除了温度带来的影响 4 在对应变效应的表达式推导中 得到这样的结论 其中 L L k L L L L R R 21 系数 k 被表达为单位形变