电阻应变式传感器

电阻应变式传感器 传 感 器 技 术 实 验 报 告 院（系） 机械工程系 专业 班级姓名 同组同学 实验时间 xx年 月 日，第周，星期 第 节 实验地点单片机与传感器实验室 实验台号 实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器： 应变传感器实验模块、托盘、砝码（每只约20g）、数显电压表、15V、4V电源、万用表（自备）。 三、实验原理： 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：R/R=K，式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1 通过这些应变片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，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 ?E?E?R?Ek?（1-1） U0? 41?4R4 2R E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为?L? 1?R?100%。 2R 四、实验内容与步骤 1图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。 2从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw3，使电压表显示为0V，Rw3的位置确定后不能改动，关闭主控台电源。 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 3将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。 4在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw4，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV，读取数显表数值，保持Rw4不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记录实验结果，填入表1-1，关闭电源。 五、注意事项 加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！ 六、实验报告 根据表11计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yF.S 100，式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程（200g）输出平均值。 七、思考题： 采用单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用： (1)正(受拉)应变片； (2)负(受压)应变片； (3)正、负应变片均可以。 答： 传 感 器 技 术 实 验 报 告 院（系） 机械工程系 专业 班级姓名 同组同学 实验时间 xx年 月 日，第周，星期 第 节 实验地点单片机与传感器实验室 实验台号 实验二 金属箔式应变片半桥性能实验 一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 二、实验仪器：同实验一 三、实验原理：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压 U0? EE?Rk?（2-1） 22R U0比单臂电桥灵敏度提高一倍，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。 四、实验内容与步骤 1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。 图2-1 应变式传感器半桥实验接线图 2差动放大器调零。从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw3，使电压表显示为0V，Rw3的位置确定后不能改动，关闭主控台电源。 3根据图2-1接线，R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使电压表显示为零。 4在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw4，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示10mV，读取数显表数值，保持Rw4不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记录实验结果，填入下表，关闭电源。 五、实验报告 根据表21计算系统灵敏度LU/W和非线性误差f2。 六、思考题： 1半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？ 答： 2桥路测量时存在非线性误差，是因为：(1)电桥测量原理上存在非线性误差？(2)应变片应变效应是非线性的？(3)零点偏移？ 答： 1、 一应变片的电阻R0=120，K=2.05，用作应变为800m/m的传感元件。 (1)求R与R/R； (2)若电源电压Ui=3V，求其惠斯通测量电桥的非平衡输出电压U0。 解：(1)R/R=K=2.05x800m/106m -3 =1.64x10 -3-3则R=1.64x10 x R=1.64x10 x 120=0.197 Ui(2) U0 =4xK= 3?1.64?10?3V=1.23mV 4 2、如果将 120的应变片贴在柱形弹性试件上， -42该试件的截面积 S=0.510m，材料弹性模量 1124E=210N/ m。若由510N的拉力引起应变片电阻变化了 1.2，求该应变片的灵敏系数 K。 解：R/R=1.2/120=0.01 5x104=/E=F/SE=0.5x10?4x2x1011=0.005 K=R/R/=2 3、以阻值R=120，灵敏系数 K=2.0的电阻应变片与阻值 120的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为 2和2000时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。 解：单臂：UU3 o=4K=4x2.0x= 双臂：UUi3 o=2K=2x2.0x= 电压灵敏度：KUo u=Ui= 4、在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为 120的金属应变片R1和R2，把这两应变片接人差动电桥。若钢的泊松比 =0.285，应变片的灵敏系数 K=2，电桥的电源电压Ui=2V，当试件受轴向拉伸时，测得应变片R1的电阻变化值 R=0.48，试求电桥的输出电压 U；若柱体直径d=10mm，材料的弹 112性模量E=210N/ m，求其所受拉力大小。 解：由?R1/R1?K?1，则 ?R1/R10.48/120?1?0.00 2K2 ?2=?1 =-0.285x0.002= -0.00057 所以电桥输出电压为 UiUo=4K（2 1-2）=4x2x(0.002+0.00057) F时，由?1?E?SE =0.00257V=2.57mV 当柱体直径d=10mmF?1ES?0.002?2?1011?，得 ?(10?10?3)2 4 =3.14x104 (N) 5、某120电阻应变片的额定功耗为40mW，如接人等臂直流电桥中，试确定所用的激励电压。 解：由电阻应变片R=120，额定功率 P=40mW，则其额定端电压为 U=PR?40?10?3?2.19V 当其接入等臂电桥中时，电桥的激励电压为 Ui =2U=22.19=4.38V4V 专业课 xx年全国职业培训 参评组别： 优秀教研成果评选活动参评教案 专业分类：机电类 课程名:传感器及应用 电阻应变式传感器 作者姓名： 吕 小 亚 单 位: 陕西省彬县职业教育中心 通讯地址: 彬县西大街34号 邮政编码: 713500 _:课题 电阻应变式传感器 一、教学 1、教材地位和作用 传感器及应用开设在机电专业第二学年，本书内容安排采用总分的结构，第二章分别介绍各类传感器的原理及应用，第一节电阻应变式传感器正是其中最简单最典型的一类传感器。这一节课的作用就知识体系而言，是机械、电子、化学、光学等基础知识的综合运用；就教学策略而言，是让学生掌握一种学习模式：掌握原理实验论证拓展应用创新提高，而这个模式是后续章节每一种传感器的整体教学思路。 2、学情分析 本课题的授课对象是08机电2、3班。班内相当一部分学生初中没毕业，逻辑能力抽象思维能力差，前面学习的专业知识并不扎实，学生心态也比较浮躁，好的方面的是，学生好奇心强，好动性强，经过实习生活阅历有所丰富，对专业以及将来的职业有了比较理性的认识，学习的主动性有所提高。 3、教学目标定位 知识目标：1、掌握应变效应及电阻应变片的结构 2、理解电阻应变式传感器的工作原理 能力目标：1、应用科学的实验方法验证理论的能力 2、知识的拓展与迁移能力 情感目标：通过本课题实践性学习，培养学生热爱专业尊重科学的情操。 4、教学重点与难点的确立 重点：应变效应 难点：测量转换电路（电桥）的分析 教学关键点：教师怎样引导学生从熟知的知识到的领域，并激发 兴趣，探索新知，将重难点知识渗透在各教学环节中。 5、教材内容处理： 原则删繁就简，强化实践，弱化理论 本课题重在实验与实践，电桥部分删掉电路分析和公式推导，弱化教 学难点，应变片的种类、粘贴和温度补偿都采用问题课外自学的方式，不占用课堂时间。 6、教学策略： 基于以上的分析，为达到预期的教学目标，本课题采用“理论实践一 体化”的教学方法，这也是贯穿于本课题的主导方法，使学生的感性认识和理性认识相得益彰，使其在实践认识再实践的过程中更加牢固地掌握电阻应变式传感器。 （1）教法与学法： （2）教学准备：多媒体实验室，传感器综合试验台，万用表、托盘、导线、 砝码若干。根据学生强弱搭配分若干组，每组推选一名组长。 二、教学过程 本课题计划用6个课时，分五个环节完成。 第一环节导入主题 （再现生活情境，逐步引入主题） 以秤的发展为例，对比杆秤和电子秤的原理，激发学生的好奇心，引 出本节课的主题：电阻应变式传感器。 第二环节探索新知 首先让学生在试验台上指出传感器的三个组成部分。 教师设问1：电子秤具体哪个元件将非电量转换为电量？ 实验探索1：应变效应 教师设问2：电阻的应变可以直接指示被测量（质量）的变化吗？电桥起 到了什么作用？一般有哪些工作方式？ 实验探索2：直流电桥的性能 第三环节 讨论 学生通过上边两个实验，分组讨论并电子秤的整体工作原理，教师经过总结，提炼出如下流程，使学生的新旧知识系统化、结构化。 第四环节 基础应用简易电子秤（任务驱动法） 1、提出任务要求：根据上边两个小实验，以及对电子秤原理的整体认识， 利用现有实验室设备，自制简易电子秤，要求误差不超过5%，量程自选。 2、组内任务划分：小组长根据同学个体水平，制定，分解任务，教师 巡回各组，通过提问、观察、交谈来引导学生。 3、问题集中反馈： 1、每加一个20g的砝码，输出电压的增量不一样？有的小组是38mV, 有的是60mV，在同一组内，数值也不是很稳定。 2、砝码质量虽然和数显表上输出电压成正比，但是数字不一致， 无法统一量纲怎么办？ 4、讨论与改进：预期效果：物体质量是多少，仪表就显示多少 尝试方法：托盘放入预期量程质量的砝码，调节电压放大器或差动放 大的增益，使仪表显示相同数量，直接改变量纲。 5、效果评价：学生自评，小组互评，优秀成果展示。 第五环节 拓展与提高 设问：电阻应变式传感器只能用于质量的测量吗？ 启发：从敏感传感元件入手，思考哪些量还可以刺激应变片发生应变？ 本环节积极引导学生对所学知识进行迁移应用，拓展到压力、扭矩、加 速度传感器，PPT演示其他传感器的图片和应用视频，鼓励表现优秀的学生课后设计制作压力传感器。 三、教学评估 1、教学效果: 本课题包含的知识比较琐碎，很容易顾此失彼，我抓住了两条主线： A、知识线：敏感元件（弹性元件）传感元件（应变片）测量转换电路（电桥的三种工作方式） B、能力线：分析任务发现问题实验探究发出质疑讨论解决拓展应用 电子秤作为知识线的出发点和能力线的落脚点贯穿教学的始终，教学场地采