檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)2 金屬箔式應(yīng)變片 單臂、半橋、全橋性能實(shí)驗(yàn)

1、上海電力學(xué)院檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn) 金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。比較單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，得出相應(yīng)的結(jié)論。二、基本原理 電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，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)變敏感元件，通過它轉(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，電橋的輸出電壓反應(yīng)了相應(yīng)的受力狀態(tài)。對單臂電橋輸出電壓U01=EK/4。當(dāng)

2、兩片應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓U02=EK/2。全橋測量電路中其橋路輸出電壓U03=KE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。三、需用器件與單元應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表(自備)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、根據(jù)圖(1-1)應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進(jìn)行測量判別，R1=R2=R3=R4=350，加熱絲阻值為50左右。圖1-1 應(yīng)變式傳感安裝示意圖2、接入模板電源±15V(從主控箱引

3、入)，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器Rw3順時(shí)針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行差動放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯表電壓輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔)。關(guān)閉主控箱電源。3、將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變片R1(即模板左上方的R1)接入電橋作為一個橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋(R5、R6、R7模塊內(nèi)已連接好)，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源±4V(從主控箱引入)如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，使數(shù)顯表顯示為零。圖1-2

4、 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖4、在電子稱上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到500g(或200g)砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1，關(guān)閉電源。重量(g)電壓(mv)5、根據(jù)圖1-3接線。R1、R2為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反(一片受拉、一片受壓)的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零。重復(fù)步驟4。6、根據(jù)圖1-4接線。R1、R2為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏綉?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反(一片受拉、一片受壓)的電阻應(yīng)變片作為電橋

5、的相鄰邊。接入橋路電源±4V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零。重復(fù)步驟4。7、根據(jù)表1-1計(jì)算單臂系統(tǒng)靈敏度S，S=u/W(u輸出電壓變化量；W重量變化量)計(jì)算線性誤差：f1=m/yF·S×100%式中m為輸出值(多次測量時(shí)為平均值)與擬合直線的最大偏差：yF·S滿量程輸出平均值，此處為500g或200g。計(jì)算半橋、全橋系統(tǒng)靈敏度、非線性誤差。圖1-3 應(yīng)變片傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖表1-2半橋測量時(shí)，輸出電壓與加負(fù)載重量值重量(g)電壓(mv)五、思考題1、單臂電橋時(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：(1)正(受拉)應(yīng)變片(2)負(fù)(受壓)應(yīng)變片(3)正、負(fù)

6、應(yīng)變片均可以。2、半橋側(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：(1)對邊(2)鄰邊。3、橋路(差動電橋)測量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)椋?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。4、全橋測量中，當(dāng)兩組對邊(R1、R3為對邊)電阻值R相同時(shí)，即R1= R3, R2= R4,而R1R2時(shí)，是否可以組成全橋：(1)可以(2)不可以。5、某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測試時(shí)在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如何利用這四片電阻應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖1-4 應(yīng)變片傳感器受拉時(shí)傳感器圓盤面展開圖答：將這兩組應(yīng)變片按照兩個不同方向貼在棒材上，利用兩組不

7、同的測量值即可組成一個全路電橋，不需要外加電阻。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與處理1、記錄數(shù)顯表數(shù)值于數(shù)據(jù)記錄紙上。2、由所得數(shù)據(jù)，繪出半橋的傳感器特性曲線如下：圖1-5 單臂傳感器特性曲線 圖1-6 半橋傳感器特性曲線圖1-7 全橋傳感器特性曲線3、對擬合結(jié)果進(jìn)行分析：（1）單臂計(jì)算系統(tǒng)靈敏度：V=（36-3）/9=3.67mV W=20g S=V/W=0.13mV/g計(jì)算非線性誤差： （V-Vfit）m =0.45mVVfs=36mVf =（V-Vfit）m / Vfs×100%=1.25%（2）半橋 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度：V=（73-7）/9=7.33mV W=20g S=V/W=0.36mV/

8、g計(jì)算非線性誤差： （V-Vfit）m =0.64mVVfs=73mVf =（V-Vfit）m / Vfs×100%=0.88%（3）全橋計(jì)算系統(tǒng)靈敏度：V=（137-12）/9=13.89mV W=20g S=V/W=0.69mV/g計(jì)算非線性誤差： （V-Vfit）m =1.13mVVfs=137mVf =（V-Vfit）m / Vfs×100%=0.83%由數(shù)據(jù)分析可知，全橋傳感器特性曲線的線性特性最好，電橋輸出靈敏度最高。原因是在全橋測量電路中，應(yīng)變片初始阻值是R1=R2=R3=R4，當(dāng)其變化值R1=R2=R3=R4時(shí)，橋路輸出電壓UO2=KE，比半橋靈敏度又提高一

9、倍，非線性誤差進(jìn)一步得到改善。注：以單臂數(shù)據(jù)為例，在MATLAB中實(shí)現(xiàn)線性擬合的程序，clearx=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); 一次擬合;yfit=polyval(p,x); 求擬合后的y值;plot(x,y,'r*',x,yfit,'b-'); 作擬合圖像;xlabel('W/g')ylabel('V/mV') grid on在計(jì)算非線性誤差過程中，需要求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的

10、最大偏差，這也可通過編程實(shí)現(xiàn)，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-'); 求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差;xlabel('W/g')ylabel('V/mV') grid on可求實(shí)際輸出值與擬合直線輸出值的最大偏差為0.45mV。直流全橋的應(yīng)用電子秤實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈶?yīng)變直流全橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。二、基本原理電子秤實(shí)驗(yàn)原理與

11、實(shí)驗(yàn)三相同，利用全橋測量原理，通過對電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對應(yīng)值，電壓量綱（V）改為重量量綱（g）即成為一臺原始的電子秤。三、需用器件和單元傳感器實(shí)驗(yàn)箱（二）中應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)單元，應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉㈨来a、智能直流電壓表（或虛擬直流電壓表）、±15V電源、±5V電源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1按實(shí)驗(yàn)一中的步驟2，將差動放大器調(diào)零，按圖3-1全橋接線，打開直流穩(wěn)壓電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位器Rw1，使直流電壓表顯示為零。2將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rw3（增益即滿量程調(diào)節(jié)）使直流電壓表顯示為0.200V或-0.200V。3拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)

12、電位器Rw1（零位調(diào)節(jié)）使直流電壓表顯示為0.000V。4重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱V改為重量量綱g，就可以稱重，成為一臺原始的電子秤。5把砝碼依次放在托盤上，填入下表4-1。表4-1電橋輸出電壓與加負(fù)載重量值重量（g）20406080100120140160180200電壓(mv)204060801001191391591801996. 根據(jù)上表，計(jì)算誤差與非線性誤差。誤差：=1/200×100%=0.5% 非線性誤差：f =0.76/200×100%=0.38%五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2電橋的電

13、壓為±5V，絕不可錯接成±15V。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制傳感器的特性曲線。2分析什么因素會導(dǎo)致電子秤的非線性誤差增大，怎么消除，若要增加輸出靈敏度，應(yīng)采取哪些措施。答：環(huán)境因素和實(shí)驗(yàn)器材的校正不準(zhǔn)會導(dǎo)致非線性誤差增大。通過多次校正，調(diào)節(jié)變位器可消除或減少誤差。若要增加輸出靈敏度可增加相形放大電路。金屬箔式應(yīng)變片的溫度影響實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馊珮驕y量電路的優(yōu)點(diǎn)。二、 基本原理電阻應(yīng)變片的溫度影響，主要來自兩個方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應(yīng)變柵的線膨脹系數(shù)與被測試件的線膨脹系數(shù)不一致會產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此，被測體受力狀態(tài)不變而溫度變化時(shí)，輸出會有變化。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與

14、器件主機(jī)箱、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹ê訜崞鳎?、托盤、砝碼。四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理因?yàn)閂ot=0.209(V)，Vo1=0.200(V),所以= (Vot-Vo1)/V ×100%=(0.209-0.200)/0.200×100%=4.5%五、思考題闡述金屬箔式應(yīng)變片的溫度影響有哪些消除方法。答：金屬箔式應(yīng)變片的溫度影響可以通過以下幾種方法消除：溫度自補(bǔ)償法、電橋線路補(bǔ)償法、輔助測量補(bǔ)償法、熱敏電阻補(bǔ)償法、計(jì)算機(jī)補(bǔ)償法等。而最常用的是溫度自補(bǔ)償法和電橋線路補(bǔ)償法。溫度補(bǔ)償法：利用溫度補(bǔ)償片進(jìn)行補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償片是一種特制的、具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片，將其粘貼在被測件上，當(dāng)溫度變化時(shí)，與產(chǎn)生的附加