一电阻应变片传感器特性.pdf

实验一、二电阻应变片传感器特性实验一、实验目的：1．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。2．比较半桥，全桥测量电路与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。二、基本原理：敏感元件—金属箔在外力作用下，其电阻值会发生变化。即金属的电阻应变效应。根据推导可以得出：Rlll（12）（12）kRllll0l“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是（），是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料k12而言，以前者为主，则0，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系E（4）式中σ——测试的应力；E——材料弹性模量。可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。单臂电桥：即应变片电阻接入电桥的一臂，测出其电阻变化值，结构比较简单，但是灵敏度较差；半桥：把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EGε／2。式中E为电桥供电电压。全桥：测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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明显改善三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表。四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。R1R2R4R3图1－1应变式传感器安装示意图图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图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，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，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电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3、按图1-2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、1R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）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。4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)电压(mv)U5．根据表1－1计算系统灵敏度SU/W（输出电压的变化量，W重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中m（多次测量时为平均值）为输出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．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±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度S2U/W，非线性误差f2。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。图1-3应变式传感器半桥实验接线图图1-4应变式传感器全桥实验接线图表1－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）7．根据1-4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。表1－3全桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）五、实验注意事项：21、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则