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检测技术实验2 金属箔式应变片 单臂、半桥、全桥性能实验


上海电力学院

检测技术实验

金属箔式应变片——单臂、半桥、全桥性能实验
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。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。 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: 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,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。对单臂电桥输出 电压 U01=EKε /4。当两片应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压 U02=EK/ε 2。全桥测量电路中其桥路输出电压 U03=KEε 。其输出灵敏度比 半桥又提高了一倍,非线性误差和温度误差均得到改善。 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、万用表(自备)。 四、实验步骤 1、根据图(1-1)应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应 变片已接入模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上,可用 万用表进行测量判别,R1=R2=R3=R4=350Ω ,加热丝阻值为 50Ω 左右。

图 1-1 应变式传感安装示意图

2、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。 3、 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。

图 1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、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 500g(或 200g)砝码加完。记下实验结果填入表 1-1, 关闭电源。 重量(g) 电 (mv) 压

5、根据图 1-3 接线。R1、R2 为实验模板左上方的应变片,注意 R2 应和 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。重复步骤 4。 6、根据图 1-4 接线。R1、R2 为实验模板左上方应变片,注意 R2 应和 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。重复步骤 4。 7、根据表 1-1 计算单臂系统灵敏度 S,S=Δ u/Δ W(Δ u 输出电压变化 量;Δ W 重量变化量)计算线性误差:δ f1=Δ m/yF·S×100%式中Δ m 为输出 值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:yF·S 满量程输出平均值, 此处为 500g 或 200g。计算半桥、全桥系统灵敏度、非线性误差。

图 1-3 应变片传感器半桥实验接线图

表 1-2 半桥测量时,输出电压与加负载重量值 重量(g) 电 (mv) 压

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。 2、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。 3、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。 4、 全桥测量中, 当两组对边(R1、 3 为对边)电阻值 R 相同时, R1= R3, R 即 R2= R4,而 R1≠R2 时,是否可以组成全桥:(1)可以(2)不可以。 5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片, 如何利用这四片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻。

图 1-4 应变片传感器受拉时传感器圆盘面展开图

答:将这两组应变片按照两个不同方向贴在棒材上,利用两组不同的测 量值即可组成一个全路电桥,不需要外加电阻。 六、实验结果分析与处理 1、记录数显表数值于数据记录纸上。 2、由所得数据,绘出半桥的传感器特性曲线如下:

图 1-5 单臂传感器特性曲线

图 1-6 半桥传感器特性曲线

图 1-7 全桥传感器特性曲线

3、对拟合结果进行分析: (1)单臂 计算系统灵敏度: Δ V=(36-3)/9=3.67mV Δ W=20g S=Δ V/Δ W=0.13mV/g 计算非线性误差: Δ (V-Vfit)m =0.45mV Vfs=36mV δ f =Δ (V-Vfit)m / Vfs×100%=1.25% (2)半桥 计算系统灵敏度: Δ V=(73-7)/9=7.33mV Δ W=20g S=Δ V/Δ W=0.36mV/g 计算非线性误差: Δ (V-Vfit)m =0.64mV Vfs=73mV

δ f =Δ (V-Vfit)m / Vfs×100%=0.88% (3)全桥 计算系统灵敏度: Δ V=(137-12)/9=13.89mV Δ W=20g S=Δ V/Δ W=0.69mV/g 计算非线性误差: Δ (V-Vfit)m =1.13mV Vfs=137mV δ f =Δ (V-Vfit)m / Vfs×100%=0.83% 由数据分析可知,全桥传感器特性曲线的线性特性最好,电桥输出灵 敏度最高。原因是在全桥测量电路中,应变片初始阻值是 R1=R2=R3=R4, 当其变化值 ? R1= ? R2= ? R3= ? R4 时,桥路输出电压 UO2=KE ? ? ,比半桥 灵敏度又提高一倍,非线性误差进一步得到改善。 注:以单臂数据为例,在 MATLAB 中实现线性拟合的程序,
clear x=[0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200]; y=[0,3,7,10,14,17,21,25,28,32,36]; p=polyfit(x,y,1); yfit=polyval(p,x); 一次拟合; 求拟合后的y值; 作拟合图像;

plot(x,y,'r*',x,yfit,'b-'); xlabel('W/g') ylabel('V/mV') grid on

在计算非线性误差过程中,需要求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏 差,这也可通过编程实现,
x=[0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200]; y=[0,3,7,10,14,17,21,25,28,32,36]; p=polyfit(x,y,1); yfit=polyval(p,x); plot(x,y-yfit,'b-'); xlabel('W/g') ylabel('V/mV') grid on 求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差;

可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为 0.45mV。

直流全桥的应用——电子秤实验
一、实验目的 了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理 电子秤实验原理与实验三相同,利用全桥测量原理,通过对电路调节 使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即 成为一台原始的电子秤。 三、需用器件和单元 传感器实验箱(二)中应变式传感器实验单元,应变式传感器实验模 板、砝码、智能直流电压表(或虚拟直流电压表) 、±15V 电源、±5V 电 源。 四、实验内容与步骤 1.按实验一中的步骤 2,将差动放大器调零,按图 3-1 全桥接线,打 开直流稳压电源开关, 调节电桥平衡电位器 Rw1, 使直流电压表显示为零。 2.将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器 Rw3(增益即 满量程调节)使直流电压表显示为 0.200V 或-0.200V。 3.拿去托盘上的所有砝码,调节电位器 Rw1(零位调节)使直流电压 表显示为 0.000V。 4.重复 2、3 步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量纲 V 改为 重量量纲 g,就可以称重,成为一台原始的电子秤。 5.把砝码依次放在托盘上,填入下表 4-1。 表 4-1 电桥输出电压与加负载重量值

重 量 20 (g) 电 压 20 (mv)

40 40

60 60

80 80

100 120 140 160 180 200 100 119 139 159 180 199

6. 根据上表,计算误差与非线性误差。 误差:δ =1/200×100%=0.5% 非线性误差:δ f =0.76/200×100%=0.38% 五、实验注意事项 1.不要在砝码盘上放置超过 1kg 的物体,否则容易损坏传感器。 2.电桥的电压为± 5V,绝不可错接成± 15V。 六、实验报告要求 1.记录实验数据,绘制传感器的特性曲线。

2.分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大,怎么消除,若要增 加输出灵敏度,应采取哪些措施。 答:环境因素和实验器材的校正不准会导致非线性误差增大。通过多次校 正,调节变位器可消除或减少误差。若要增加输出灵敏度可增加相形放大 电路。

金属箔式应变片的温度影响实验
一、 实验目的 了解全桥测量电路的优点。 二、 基本原理 电阻应变片的温度影响,主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数,应

变栅的线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因 此,被测体受力状态不变而温度变化时,输出会有变化。 三、实验设备与器件 主机箱、应变式传感器实验模板(含加热器) 、托盘、砝码。 四、实验数据处理 因为ot = 0.209(V),1 = 0.200(V),所以 δ = ( ? 1)/ × 100% = (0.209 ? 0.200)/0.200 × 100% = 4.5% 五、思考题 阐述金属箔式应变片的温度影响有哪些消除方法。 答:金属箔式应变片的温度影响可以通过以下几种方法消除:温度自补偿 法、电桥线路补偿法、辅助测量补偿法、热敏电阻补偿法、计算机补偿法 等。而最常用的是温度自补偿法和电桥线路补偿法。 温度补偿法:利用温度补偿片进行补偿。温度补偿片是一种特制的、具有 温度补偿作用的应变片,将其粘贴在被测件上,当温度变化时,与产生的 附加应变片相互抵消。 电桥线路补偿法:电桥补偿是最常用的、效果最好的补偿方法,应变片通 常作为平衡电桥的一个臂来测量应变。在被测试件感受应变的位置上安装 一个应变片 R1(工作片) ;在时间按不受力的位置粘贴一个应变片 R2(补 偿片) ,两个应变片的安装位置靠近,完全处于一个温度场中。测量时两者 连接到相邻的电桥臂上,当温度变化时,电阻 R1、R2 都发生变化,当温度 变化相同时,因材料相同温度系数相同,因此温度引起的电阻变化相同, ?R1 = ?R2,电桥输出与温度无关。


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