-應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)
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周康 海洋技術(shù)1121班 學(xué)號(hào)：201212922132 實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測(cè)量電路。 二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類(lèi)傳感器主要是通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過(guò)測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。 1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng) 所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱(chēng)為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得 （1—1） 當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率ρ的變化為dL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式（1—1）全微分得電阻變化率 dR/R為： （1—2） 式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量εL; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量εr 由材料力學(xué)得： εL= - μεr (1—3) 4） 2、應(yīng)變靈敏度 它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。 (1)、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取 （1—5） 其靈敏度系數(shù)為： K= 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。 3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用 在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線(xiàn)性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)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(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。 ＊本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。 4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料的基板上，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。 (a) 絲式應(yīng)變片 (b) 箔式應(yīng)變片 圖1—1應(yīng) （a）、單臂 Uo＝U①－U③ ＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E ＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E 設(shè)R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K為靈敏度系數(shù)。 則Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE (b)、雙臂(半橋) 同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE (C)、全橋 同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE 6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖 圖1—3 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖 圖中R5、R6、R7為350Ω固定電阻，R1為應(yīng)變片； RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源4V。橋路輸出電壓Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE 。差動(dòng)放大器輸出為Vo。 三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的2V～10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤(pán)、砝碼； 4位數(shù)顯萬(wàn)用表（自備）。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f(shuō)明：應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逵蓱?yīng)變式雙孔懸臂梁載荷傳感器（稱(chēng)重傳感器）、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應(yīng)變片測(cè)量電路、差動(dòng)放大器組成。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞1(傳感器的左下)、R2(傳感器的右下)、R3(傳感器的右上)、R4(傳感器的左上)為稱(chēng)重傳感器上的應(yīng)變片輸出口；沒(méi)有文字標(biāo)記的5個(gè)電阻符號(hào)是空的無(wú)實(shí)體，其中4個(gè)電阻符號(hào)組成電橋模型是為電路初學(xué)者組成電橋接線(xiàn)方便而設(shè)；R5、R6、R7是350Ω固定電阻，是為應(yīng)變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設(shè)的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應(yīng)變片溫度影響實(shí)驗(yàn)時(shí)用。多芯插頭是振動(dòng)源的振動(dòng)梁上的應(yīng)變片輸入口，做應(yīng)變片測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)用。 1、將托盤(pán)安裝到傳感器上，如圖1—4所示。 圖1—4 傳感器托盤(pán)安裝示意圖 2、測(cè)量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤(pán)上無(wú)重物時(shí)，分別測(cè)量應(yīng)變片R1、R2、R3、R4 的阻值。在傳感器的托盤(pán)上放置10只砝碼后再分別測(cè)量R1、R2、R3、R4的阻值變化，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變小。）。 圖1—5測(cè)量應(yīng)變片的阻值示意圖 3、實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零：按圖1—6示意接線(xiàn)，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換 開(kāi)關(guān)切換到2V檔，檢查接線(xiàn)無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(先順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。 圖1—6差動(dòng)放在器調(diào)零接線(xiàn)示意圖 表1 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 電壓(mV) 0 0.2 -4.4 -9.1 -13.8 -18.6 -23.5 -23.7 -28 5、 根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線(xiàn)并計(jì)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(xiàn)性誤差δ，δ=Δm/yFS 100％式中Δm為輸出值（多次測(cè)量時(shí)為平均值）與擬合直線(xiàn)的最大偏差：yFS滿(mǎn)量程輸出平均值，此處為200g。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。 一、數(shù)據(jù)分析： 1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)和畫(huà)出了最小二乘擬合曲線(xiàn) 2.計(jì)算靈敏度S=△U/△W △U=-5.3mv △W=20g ∴S=-0.192 δ=△m/yFs100%=2.063/-28100%=7.36% 3.問(wèn)題與討論：分析實(shí)驗(yàn)的不足之處以及如何改進(jìn)，回答實(shí)驗(yàn)手冊(cè)文檔上的思考題 1.在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)零可能會(huì)有誤差 2.稱(chēng)量時(shí)，會(huì)有人為的因素在里面，會(huì)導(dǎo)致誤差 實(shí)驗(yàn)二 應(yīng)變片半橋性能實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片半橋（雙臂）工作特點(diǎn)及性能。掌握測(cè)量方法。 二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實(shí)驗(yàn)一。應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖2—1所示。不同應(yīng)力方向的兩片應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線(xiàn)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(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖 三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的2V～10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤(pán)、砝碼。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、按實(shí)驗(yàn)一（單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)）中的步驟1和步驟3實(shí)驗(yàn)。 2、關(guān)閉主機(jī)箱電源，除將圖1—7改成圖2—2示意圖接線(xiàn)外，其它按實(shí)驗(yàn)一中的步驟4實(shí)驗(yàn)。讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，填入表2中。 圖2—2 應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)接線(xiàn)示意圖 表2 應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù) 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 電壓(mV) -0.3 8.9 19.0 25.8 36.3 44.8 54.7 64.9 75.5 85.5 0.1 9.2 19.3 25.1 36.6 45.2 56.0 65.3 76.5 85.7 3、 根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。 五、思考題： 半橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在： 答：在臨邊。因?yàn)樵谂R邊時(shí),中點(diǎn)的電位變化的才能和另外的參考點(diǎn)進(jìn)行比較,如果不在臨邊,也就會(huì)出現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)應(yīng)變片都發(fā)生變化時(shí),與他們對(duì)應(yīng)電阻的電位差可能會(huì)出現(xiàn)0的情況. 實(shí)驗(yàn)三 應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。 二、基本原理：應(yīng)變片基本原理參閱實(shí)驗(yàn)一。應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)原理如圖3—1所示。應(yīng)變片全橋測(cè)量電路中，將應(yīng)力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，相反的?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其變化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時(shí)，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(xiàn)性得到改善。 圖3—1應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)示意圖 三、需用器件和單元：主機(jī)箱中的2V～10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤(pán)、砝碼。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 實(shí)驗(yàn)步驟與方法（除了按圖3—2示意接線(xiàn)外）參照實(shí)驗(yàn)二，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表3作出實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)并進(jìn)行靈敏度和非線(xiàn)性誤差計(jì)算。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。 圖3—2 應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)示意圖 表3全橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 根據(jù)表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)。 五、思考題： 測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2時(shí)，是否可以組成全橋： 答：可以的.當(dāng)兩對(duì)邊電阻相等時(shí),電橋平衡. 實(shí)驗(yàn)五 應(yīng)變片直流全橋的應(yīng)用—電子秤實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈶?yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。 二、基本原理：常用的稱(chēng)重傳感器就是應(yīng)用了箔式應(yīng)變片及其全橋測(cè)量電路。數(shù)字電子秤實(shí)驗(yàn)原理如圖5—1。本實(shí)驗(yàn)只做放大器輸出Vo實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)電路的標(biāo)定使電路輸出的電壓值為重量對(duì)應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺(tái)原始電子秤。 圖5—1 數(shù)字電子稱(chēng)原理框圖 三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的2V～10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤(pán)、砝碼。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、按實(shí)驗(yàn)一中的1和3步驟實(shí)驗(yàn)。 2、關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖3—2 （應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)示意圖）示意接線(xiàn)，將 2V～10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到4V檔。檢查接線(xiàn)無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)箱電壓表顯示為零； 3、將10只砝碼全部置于傳感器的托盤(pán)上，調(diào)節(jié)電位器RW3（增益即滿(mǎn)量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V(2V檔測(cè)量)。 4、拿去托盤(pán)上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器RW4（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。 5、重復(fù)3、4步驟的標(biāo)定過(guò)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(pán)上稱(chēng)重；放上筆、鑰匙之類(lèi)的小東西稱(chēng)一下重量。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。 五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 六、實(shí)驗(yàn)分析 1．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制傳感器的特性曲線(xiàn)。 2．分析什么因素會(huì)導(dǎo)致電子秤的非線(xiàn)性誤差增大，怎么消除，若要增加輸出靈敏度，應(yīng)采取哪些措施。 答：環(huán)境因素和實(shí)驗(yàn)器材的校正不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致非線(xiàn)性誤差增大。通過(guò)多次校正，調(diào)節(jié)變位器可消除或減少誤差。若要增加輸出靈敏度可增加相形放大電路 實(shí)驗(yàn)九 壓阻式壓力傳感器壓力實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器測(cè)量壓力的原理與方法。 二、實(shí)驗(yàn)儀器 壓力傳感器、氣室、氣壓表、差動(dòng)放大器、電壓放大器、電壓溫度頻率表 三、實(shí)驗(yàn)原理 在具有壓阻效應(yīng)的半導(dǎo)體材料上用擴(kuò)散或離子注入法，可以制備各種壓力傳感器。摩托羅拉公司設(shè)計(jì)出X形硅壓力傳感器，如圖7-1所示，在單晶硅膜片表面形成4個(gè)阻值相等的電阻條。將它們連接成惠斯通電橋，電橋電源端和輸出端引出，用制造集成電路的方法封裝起來(lái)，制成擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器。 擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理如圖7-1，在X形硅壓力傳感器的一個(gè)方向上加偏置電壓形成電流，當(dāng)敏感芯片沒(méi)有外加壓力作用，內(nèi)部電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)有剪切力作用時(shí)（本實(shí)驗(yàn)采用改變氣室內(nèi)的壓強(qiáng)的方法改變剪切力的大小），在垂直于電流方向?qū)?huì)產(chǎn)生電場(chǎng)變化，該電場(chǎng)的變化引起電位變化，則在與電流方向垂直的兩側(cè)得到輸出電壓Uo。 （7-1） 式中d為元件兩端距離。 實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖如圖7-2所示，MPX10有4個(gè)引出腳，1腳接地、2腳為Uo+、3腳接+5V電源、4腳為Uo-；當(dāng)P1>P2時(shí)，輸出為正；P1下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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