應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)報(bào)告

傳感器實(shí)驗(yàn)---- 金屬箔式應(yīng)變片：?jiǎn)伪?、半橋、全橋比較 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 了解金屬箔式應(yīng)變片，單臂單橋的工作原理和工作情況。 驗(yàn)證單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關(guān)系。 【所需單元及部件】 直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動(dòng)放大器、雙孔懸臂梁稱重傳感器、砝碼、一片應(yīng)變片、電壓/頻率表、電源, 重物加在短小的圓盤(pán)上。 【旋鈕初始位置】 直流穩(wěn)壓電源打到2V擋，電壓/頻率表打到2V擋，差動(dòng)放大增益最大。 【應(yīng)變片的工作原理】 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 設(shè)有一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)、截面積為S、電阻率為ρ的金屬絲，在未受力時(shí)，原始電阻為 （1-1） 當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)ΔL，橫截面積相應(yīng)減小ΔS，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變?chǔ)う眩室痣娮柚底兓。對(duì)式（1－1）全微分，并用相對(duì)變化量來(lái)表示，則有: （1-2） 【測(cè)量電路】 應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變是通過(guò)敏感柵的電阻相對(duì)變化而得到的。通常金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù)K很小，機(jī)械應(yīng)變一般在1010-6～300010-6之間，可見(jiàn)，電阻相對(duì)變化是很小的。例如，某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生應(yīng)變-6，應(yīng)變片的電阻值為，靈敏度系數(shù)K=2,則電阻的相對(duì)變化量為10-6=0.002，電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化，用一般測(cè)量電阻的儀表很難直接測(cè)出來(lái)，必須用專門(mén)的電路來(lái)測(cè)量這種微弱的電阻變化。最常用的電路為電橋電路。 （a）單臂 （b）半橋 （c）全橋 圖1-1 應(yīng)變電橋 直流電橋的電壓輸出 當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以，可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大，這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓，其表達(dá)式為 （1-3） 設(shè)電橋?yàn)閱伪酃ぷ鳡顟B(tài)，即為應(yīng)變片，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)感受應(yīng)變產(chǎn)生電阻增量 時(shí)，由初始平衡條件得，代入式（1-3），則電橋由于 產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 （1-4） 對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí)，R，當(dāng)臂的電阻產(chǎn)生變化 ，根據(jù)式（1-4）可得到輸出電壓為 （1-5） 對(duì)于電源電橋，，，當(dāng)R1臂產(chǎn)生電阻增量時(shí)，由式（1-4）得 （1-6） 對(duì)于等臂電橋，當(dāng)?shù)碾娮柙隽?時(shí)，由式（1-10）可得輸出電壓為 （1-7） 由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng) 時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。還可以看出，在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對(duì)稱電橋。 在實(shí)際使用中，為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)應(yīng)變片接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式，如圖1-1所示。 由圖1-1可見(jiàn)=R+R，=R-R，=R+R，=R-R，將上述條件代入式（1-4）得 （1-8） 由式（1-8）看出，由于充分利用了雙差動(dòng)作用，它的輸出電壓為單臂工作的4倍，所以大大提高了測(cè)量的靈敏度。 實(shí)驗(yàn)步驟： 1．了解所需單元、部件在實(shí)驗(yàn)儀上的所在位置，觀察梁上的應(yīng)變片，應(yīng)變片為棕色襯底箔式結(jié)構(gòu)小方薄片。上下二片梁的外表面各貼二片受力應(yīng)變片。 2．將差動(dòng)放大器調(diào)零：用連線將差動(dòng)放大器的正（＋）、負(fù)（－）、地短接。將差動(dòng)放大器的輸出端與電壓/頻率表的輸入插口in 相連，電壓/頻率表放在2V檔；開(kāi)啟電源；調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的“差動(dòng)增益”到最大位置，然后調(diào)整差動(dòng)放大器的“差動(dòng)調(diào)零”旋鈕使電壓/頻率表顯示為零，關(guān)閉電源。 根據(jù)圖１接線R1、R2、R3為電橋單元的固定電阻。Rx為應(yīng)變片；將穩(wěn)壓電源的切換開(kāi)關(guān)置4V擋，F(xiàn)／V表置20V擋。開(kāi)啟電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的WD，使F／V表顯示為零，等待數(shù)分鐘后將電壓/頻率表置2V擋，再調(diào)電橋WD（慢慢地調(diào)），使電壓/頻率表顯示為零。 圖1 單臂電橋應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)接線圖 3． 在傳感器托盤(pán)上放上一只砝碼，記下此時(shí)的電壓數(shù)值，然后每增加一只砝碼記下一個(gè)數(shù)值并將這些數(shù)值填入下表。根據(jù)所得結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)靈敏度S=ΔV／ΔW，并作出V-W關(guān)系曲線，ΔV為電壓變化率，ΔW為相應(yīng)的重量變化率。 每個(gè)砝碼質(zhì)量： 砝碼個(gè)數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 電壓（mV）  4．雙臂電橋【圖2】：保持放大器增益不變，將R3固定電阻換為與Rx工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片即取二片受力方向不同應(yīng)變片，形成半橋，調(diào)節(jié)電橋W1使F／V表顯示表顯示為零，重復(fù)（3）過(guò)程同樣測(cè)得讀數(shù)，填入下表： 砝碼個(gè)數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 電壓（mV） 圖2 雙臂電橋應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)接線圖  圖3 全電橋應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)接線圖 5．全橋?qū)嶒?yàn)【圖3】：保持差動(dòng)放大器增益不變，將R1，R2兩個(gè)固定電阻換成另兩片受力應(yīng)變片組橋時(shí)只要掌握對(duì)臂應(yīng)變片的受力方向相同，鄰臂應(yīng)變片的受力方向相反即可，否則相互抵消沒(méi)有輸出，接成一個(gè)直流全橋。重復(fù)（3）過(guò)程將讀出數(shù)據(jù)填入下表： 注意：在沒(méi)加重物時(shí)會(huì)有非零值，記錄下來(lái)，減掉即可。 砝碼個(gè)數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 電壓（mV） 【數(shù)據(jù)處理】 1.在同一坐標(biāo)紙上繪出m-V曲線， 2. 計(jì)算單橋、雙橋和全橋的曲線斜率，即其測(cè)量靈敏度 3. 比較分析三種接法的靈敏度的比值，與理論比值比較。 【注意事項(xiàng)】 1．在更換應(yīng)變片時(shí)應(yīng)將電源關(guān)閉。 2．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過(guò)載，應(yīng)將電壓量程擴(kuò)大。 3．在本實(shí)驗(yàn)中只能將放大器接成差動(dòng)形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。 4．直流穩(wěn)壓電源4V不能打的過(guò)大，以免損壞應(yīng)變片或造成嚴(yán)重自熱效應(yīng)。 5．接全橋時(shí)請(qǐng)注意區(qū)別各片子的工作狀態(tài)方向。 6．電橋上端虛線所示的四個(gè)電阻實(shí)際上并不存在，僅作為一標(biāo)記，讓學(xué)生組橋容易。 6