自动化传感器实验报告二金属箔式应变片——半桥性能实验

自动化传感器实验报告二金属箔式应变片半桥性能实验 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、基本原理: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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。 Ug? EK (?1?2?3?4) 4 对单臂电桥输出电压U01=EK/4； 对等臂电桥输出电压U01=EK/2； 对全电桥输出电压U01=EK。 电桥的非线性误差 ?K?(K?)2?(K?)3? 121?K?2 14 18 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、15V电源、4V电源。 四、实验步骤： 1、接入模板电源15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。 2、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源4V(从主控箱引入)如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。 3、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。 R(线性度)=0.999395909474847 Y(拟合直线)=0.1751*X-0.4667; 用MATLAB作出试验曲线与拟合曲线，如下图所示： 灵敏度S?u/?w?3.52/20?0.176V/Kg由最小二乘法，求的拟合直线为a=?0.4667,b?0.1751,r?0.999396 砝码为200g时，输出与拟合直线偏差最大，?m=0.55mV,?f1=?m/yF.S?100%=0.55/34.55?1.6% 由实验结果分析，在实验范围内，输出电压与应变片所受力呈线性关系，并且误差小，灵敏度很高，基本线性关系可近似由公式y?0.1751?m来确定。 六、思考题： 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片 (2)负(受压)应变片 (3)正、负应变片均可以。 答：正负应变片均可以，当选择正应变片时，应将应变片装在横梁的上边；当选择负应变片时，应装在横梁的下方。 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、基本原理：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U02=EK/2。 三、需用器件与单元：同实验一。 四、实验步骤： 1、传感器安装同实验一。做实验(一)2的步骤，实验模板差动放大器调零。 2、将适当的两片应变片接入桥路。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S=U/W，非线性误差f2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。 五实验数据记录与处理 表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值 作出试验曲线与拟合曲线如下图所示： ?u? (75?68?61?56?47)?(40?33?25?16?11) 5*5 ?7.28 灵敏度S?u/?w?7.28/20?0.364V/Kg由最小二乘法，求的拟合直线为a=3.3334,b?0.3624,r?0.9989 砝码为140g时，输出与拟合直线偏差最大，?m=1.94mV,?f1=?m/yF.S?100%=1.94/75.81?1.4% 由实验结果分析，在实验范围内，输出电压与应变片所受力呈线性关系，并且误差小，灵敏度很高，基本线性关系可近似由公式 y?0.3624?m?3.3334来确定。双臂电桥较单臂电桥灵敏度更大，线性误差 更小。 五、思考题： 1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在： (1)对边(2)邻边。 2、桥路(差动电桥)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 (2)应变片应变效应是非线性的 (3)调零值不是真正为零。 答：（1）两片不同受力的应变片应放在邻边，由电桥输出公式， Ug?E R1R4?R2R3 ， (R1?R2)(R3?R4) 放在临边，两应变片受力相反，相减后，结果变大，同时能更好地抑制温度对输出的影响。 （2）以上三种情况都有。 传感器与检测技术 实验报告 实验时间：xx年10月21日xx年10月28日 1 实 验 目 录 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 实 验 一 金属箔式应变片单臂电桥性能实二 验金属箔式应变片半桥性能实 三 验金属箔式应变片全桥性能实 四 验金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实 五 验直流全桥的应用电子秤实 (9) 六 验差动变压器的性能实七 验电容式传感器的位移特性实 八 验直流激励时霍尔式传感器的位移特性实 九 验电涡流传感器的位移特性实 (16) 十 验被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验 十一 （选做）光纤传感器的位移特性实 (20) 一 验 2 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，并掌握单臂电桥工作原理 和性能。 二、基本原理: 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感 器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形， 然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电 阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电 物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建 筑测量等行业应用十分广泛。 1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或 半导体材料在外力作用 下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效 应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为 r、材料的电阻率为时，根据 电阻的定义式得 （11） 当导体因某种原因产生应变时，其长度 L、截面积 A 和电阻率的变化为 dL、 dA、d相应的电阻变化为 dR。对式（11）全微分得电阻变化率 dR/R 为： （12） 式中：dL/L 为导体的轴向应变量 L; dr/r 为导体的横向应变量 r 3 由材料力学得： L= - r (13) 式中：为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.30.5 左右；负号表 示两者的变化方向相反。将式（13）代入式（12）得： （14） 式（14）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特 有的导电性能（压阻效应）。 2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1)、金属导体的应变灵敏度 K：主要取决于其几何效应；可取 （15） 其灵敏度系数为： K = 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻 减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在 2 左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/Rd?。半导体 材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻 效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体 的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效 应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正 4 （使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变 形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般 在 100 到 200 左右。 3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片 （温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用 N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜 （扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。 本实验以金属箔式应变片为研究对象。 4、箔式应变片的基本结构 金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为 0.025mm 左右 的金属丝或金属箔制成，如图 11 所示。 (a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片 图 1-1 应变片结构图 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元件，与丝式应变 片工作原理相同。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： RRK 式中： RR 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。 5、箔式应变片单臂电桥实验原理图 5 广东技术师范学院实验报告 学院： 自动化 专业： 自动化 姓名：实验地点： 学号： 实验日期：班级： 08自动化 组 别： 成 绩： 组员：指导教师签名： 实验一 项目名称： 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、 基本原理 金属丝在外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。金属的电阻表达式为： R? l （1） 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。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： ?R?l?S?（2） ?RlS? 式中的?l为电阻丝的轴向应变，用?表示，常用单位?（1?=110?6）。 若径向应变为?r ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比?表示为 ?，因为?S=2（?），则（2）式可以写成： （?）?R?l?l?l（3） ?1?2?）?（1?2?k0Rl?lll 式（3）为“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2?），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是?，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，则 k0?1?2?，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。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k0=2左右。 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值?，而根据应 力应变关系： ?E? （4） 式中测试的应力； E材料弹性模量。 可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。 三、 需用器件与单元 传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、15V电源、5V电源，传感器调理电路挂件。 四、实验内容与步骤 1应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装在传感器实验箱（一）上，传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4，可用万用表测量R1=R2=R3=R4=350。 R4 R3 R1 R2 图1-1 应变式传感器安装示意图 2把?15V直流稳压电源接入“传感器调理电路”实验挂箱，检查无误后，开启实验台面板上的直流稳压电源开关，调节Rw3使之大致位于中间位置（Rw3为10圈电位器），再进行差动放大器调零，方法为：将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端Uo2接直流电压表，调节实验模板上调零电位器Rw4，使直流电压表显示为零，关闭直流稳压电源开关。（注意：当Rw3的位置一旦确定，就不能改变。） 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 3按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源5V，如图1-2所示。检查接线无误后，合上直流稳压电源开关，调节Rw1，使直流电压表显示为零。 4在砝码盘上放置一只砝码，待直流电压表数值显示稳定后，读取数显值，以后每次增加一个砝码并读取相应的测量值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表1-1，关闭电源。 5. 根据表1-1计算系统灵敏度S?U/?W（?U输出电压的变化量，?W重量变化量）和非线性误差f1=m/yFS 100 式中?m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g。 解：S=200/47=4.225 f1=m/yFS 100=2/200100=1 五、思考题 1单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 答：应选用正应变片。 六、实验报告要求 1记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。 2从理论上分析产生非线性误差的原因。 答：产生非线性误差的原因：电阻变化率R/R不可能完全成线性增加。 广东技术师范学院预习报告 学院： 自动化 专业： 自动化 姓名：实验地点： 学号： 实验日期：班级： 08自动化 组 别： 成 绩： 组员：指导教师签名： 实验一 项目名称： 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 四、 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。 五、 基本原理 金属丝在外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。金属的电阻表达式为： R? l （1） 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。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： ?R?l?S?（2） ?RlS? 式中的?l为电阻丝的轴向应变，用?表示，常用单位?（1?=110?6）。 若径向应变为?r ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比?表示为 ?，因为?S=2（?），则（2）式可以写成： （?）?R?l?l?l（3） ?1?2?）?（1?2?k0Rl?lll 式（3）为“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2?），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是?，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，则 k0?1?2?，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金