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应变片单臂、半桥、全桥性能实验


应变片单臂、半桥、全桥性能实验

实验目的
? 了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片 测量电路。 ? 了解应变片半桥(双臂)工作特点及性能。 ? 了解应变片全桥工作特点及性能。 ? 比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性 度,得出相应的结论。

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ρ时,根据电阻的定义式得

? 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ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变 化为dR。对式全微分得电阻变化率 dR/R为:

式中:dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr

由材料力学得:εr= - μεL 代入上式
式中:μ为材料的泊松比,大多数金属材料的泊松比为0.3~0.5 左右;负号表示两者的变化方向相反。

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

? 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/R<≈dρ?ρ。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(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。

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

(a) 丝式应变片

(b) 箔式应变片

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: Δ R/R=Kε 式中:Δ R/R为电阻 丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,ε =Δ L/L为电阻丝长度相 对变化。

5、测量电路
? 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信 号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电 路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易 实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求, 因此在应变测量中得到了广泛的应用。 ? 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种,单臂 工作输出信号最小、线性、稳定性较差;双臂输出是单臂 的两倍,性能比单臂有所改善;全桥工作时的输出是单臂 时的四倍,性能最好。因此,为了得到较大的输出电压信 号一般都采用双臂或全桥工作。 ? 基本电路单臂、双臂和全桥。

(a)单臂

(b)半桥

(c)全桥

(a)单臂 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 设 R1=R5=R6=R7,且△R1/R1=ΔR/R<<1,ΔR/R=Kε,K为灵敏度系数。 则 Uo≈(1/4)(△R1/R1)E=(1/4)(△R/R)E=(1/4)KεE (b)双臂(半桥) 同理:Uo≈(1/2)(△R/R)E=(1/2)Kε E (c)全桥 同理:Uo≈(△R/R)E=Kε E

6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

? ? ? ? ?

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻,R1为应变片; RW1和R8组成电桥调平衡网络,E为供桥电源±4V。 桥路输出电压 Uo≈(1/4)(△R4/R4)E=(1/4)(△R/R)E=(1/4)KεE 差动放大器输出为Vo。

7、应变片半桥特性实验原理图

? 不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边,输出灵敏 度提高,非线性得到改善。 ? 其桥路输出电压Uo≈(1/2)(△R/R)E=(1/2)KεE 。

8、应变片全桥特性实验原理图

? 应变片全桥测量电路中,将应力方向相同的两应变片接入 电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻 值:R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3= ΔR4时,其桥路输出电压Uo≈(△R/R)E=KεE。其输出灵 敏度比半桥又提高了一倍,非线性得到改善。

三、需用器件与单元
? 主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电 源 ? ±15V直流稳压电源 ? 电压表 ? 应变式传感器实验模板 ? 托盘 ? 砝码 ? 4位数显万用表(自备)。

四、实验步骤
? 应变传感器实验模板说明:应变传感器实验模板由应变式 双孔悬臂梁载荷传感器(称重传感器)、加热器+5V电源 输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。 实验模板中的R1(传感器的左上)、R2(传感器的右下)、 R3(传感器的右上)、R4(传感器的左下)为称重传感器上的 应变片输出口;没有文字标记的5个电阻符号是空的无实 体,其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成 电桥接线方便而设;R5、R6、R7是350Ω固定电阻,是为 应变片组成单臂电桥、双臂电桥(半桥)而设的其它桥臂 电阻。加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口,做 应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上 的应变片输入口,做应变片测量振动实验时用。

1、将托盘安装到传感器上

2、测量应变片的阻值
? 当传感器的托盘上无重物时,分别测量应变片R1、R2、R3 、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量 R1、R2、R3、R4的阻值变化,分析应变片的受力情况(受 拉的应变片:阻值变大,受压的应变片:阻值变小。)。

3、实验模板中的差动放大器调零
? 按图示接线,将主机箱上的电压表量程切换开关切换到2V档 ,检查接线无误后合上主机箱电源开关;调节放大器的增益电 位器RW3合适位置(先顺时针轻轻转到底,再逆时针回转1圈) 后,再调节实验模板放大器的调零电位器RW4,使电压表显 示为零。

4、应变片单臂电桥实验
? 关闭主机箱电源,按示意图接线,将±2V~±10V可调电源调 节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验 模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零;在 传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中 心点放置),读取相应的数显表电压值,记下实验数据填入表1 。

表1 应变片单臂电桥性能实验数据

5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S= ΔV/ΔW(ΔV输出电压变化量,ΔW重量变化量) 和非线性误差δ,δ=Δm/yFS ×100%式中Δm为输 出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大 偏差:yFS满量程输出平均值,此处为200g。

6、应变片半桥性能实验
? 关闭主机箱电源,按示意图接线,将±2V~±10V可调电源调 节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验 模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零;在 传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中 心点放置),读取相应的数显表电压值,记下实验数据填入表2 。

表2 应变片半桥实验数据
重量(g) 电压(mV)

0 0

7、根据表2实验数据作出实验曲线, 计算灵敏度S=ΔV/ΔW,非线性误差δ。

8、应变片全桥性能实验
? 关闭主机箱电源,按示意图接线,将±2V~±10V可调电源调 节到±4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验 模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零;在 传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码(尽量靠近托盘的中 心点放置),读取相应的数显表电压值,记下实验数据填入表3 。

表3 全桥性能实验数据
重量(g) 电压(mV)

0 0

7、根据表3实验数据作出实验曲线, 计算灵敏度S=ΔV/ΔW,非线性误差δ。

五、思考题
? 1、半桥测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、应变片全桥性能实验测量中,当两组对边( R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1=R3, R2=R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥:(1 )可以(2)不可以。为什么? ? 3、根据实验单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和 非线性度,从理论上进行分析比较。经实验验证 阐述理由(注意:单臂、半桥和全桥中的放大器 增益必须相同)。


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