金屬箔式應(yīng)變片傳感器性能研究-實驗報告

南昌大學物理實驗報告課程名稱： 普通物理實驗（3） 實驗名稱： 金屬箔式應(yīng)變片傳感器性能研究 學院： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號： 實驗地點： 座位號： 實驗時間： 一、 實驗?zāi)康模?.了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，掌握單臂電橋工作原理和性能。2.比較全橋、半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。3.了解全橋測量電路的優(yōu)點及其在工程測試中的實際應(yīng)用。二、 實驗儀器：應(yīng)變傳感器實驗?zāi)K、托盤、砝碼、數(shù)顯電壓表、15V和4V電源三、 實驗原理：電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為：R/R=K，式中R/R為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，=l/l為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感組件，四個金屬箔應(yīng)變片分別貼在彈性體的上下兩側(cè)，彈性體受到壓力發(fā)生形變，應(yīng)變片隨彈性體形變被拉伸，或被壓縮。通過這些應(yīng)變片轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化。1、單臂電橋?qū)嶒炄鐖D1-1所示，R5、R6、R7為固定電阻，與應(yīng)變片一起構(gòu)成一個單臂電橋。其輸出電壓 E為電橋電源電壓，R為固定電阻值，上式表明單臂電橋輸出為非線性，存在著非線性誤差2、半橋差動電路如圖1-2，不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊。圖1-2電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善，當兩只應(yīng)變片的阻值相同、應(yīng)變數(shù)也相同時，半橋的輸出電壓為 U0=EK2=E2RRE為電橋電源電壓，上式表明，差動半橋輸出與應(yīng)變片阻值變化率呈線性關(guān)系。3、全橋測量電路如圖1-3，受力性質(zhì)相同的兩只應(yīng)變片接到電橋的對邊，不同的接入鄰邊，當應(yīng)變片初始值相等，變化量也相等時，其橋路輸出：E為電橋電源電壓，上式表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍。四、 實驗內(nèi)容：1、單橋性能測試（1）變傳感器上的各應(yīng)變片已分別接到應(yīng)變傳感器模塊左上方的R1、R2、R3、R4上，可用多用表測量判別，R1=R2=R3=R4=350. （2）從主控臺接入15V電源，檢查無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，將差動放大器的輸入端Ui短接，輸出端U02接數(shù)顯電壓表（選擇2V檔），調(diào)節(jié)電位器Rw4，使電壓表顯示為0V，Rw4的位置確定后不能改動。關(guān)閉主控臺電源。（3）將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變電阻（如R1）接入電橋與R5,R6,R7構(gòu)成一個單臂直流電橋，見圖31-2，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，直流電源4V，電橋輸出接到差動放大器的輸入端Ui，檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表顯示為零（不為零亦可）。 （4）在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示2mV，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，表格自擬。2、半橋性能測試差動放大器調(diào)零后，按圖31-3接線。調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表顯示為零。在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示10mV左右，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完，表格自擬。3、全橋性能測試差動放大器調(diào)零后，按圖31-4接線，在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示0.020V左右，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，直到200g砝碼加完。五、 實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理：表一：單橋性能測試m/g20406080100120140160180200U/mV2.06.110.514.818.122.426.531.236.540.9擬合U/mV1.655.9310.2114.4818.7623.0427.3231.5935.8740.15U/mV0.350.170.290.320.660.640.820.390.630.75計算靈敏度S=UW=0.2139V/kg計算非線性誤差f1=myfs100%=0.41%表二：半橋性能測試m/g20406080100120140160180200U/mV10.018.427.236.144.753.462.270.979.788.3擬合U/mV9.8418.5627.2836.0144.7353.4562.1770.9079.6288.34U/mV0.160.160.080.090.030.050.030.000.800.43計算系統(tǒng)靈敏度L=UW=0.43615V/kg計算非線性誤差f1=myfs100%=0.215%表三：全橋性能測試m/g20406080100120140160180200U/mV21.442.863.784.0104.5125.1146.2166.3187.7207.8擬合U/mV21.8942.5763.2583.93104.6125.3146.0166.7187.3208.0U/mV0.490.230.470.070.110.190.230.350.370.21計算靈敏度L=UW=1.034V/kg計算非線性誤差f1=myfs100%=0.235%六、思考題：1、單臂電橋時，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：（1）正（受拉）應(yīng)變片（2）負（受壓）（3）正、負應(yīng)變片均可以？答：正、負應(yīng)變片均可以。當采用負應(yīng)變片時，得到的電壓是負值。2、半橋測量時兩個不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時，應(yīng)放在：（1）對邊；（2）鄰邊。答：鄰邊。3、全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）值R相同時，即R1R3，R2R4，而R1R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。答：不可以。4、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為：（1）電橋測量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。答：電橋測量原理上存在非線性。