應(yīng)變片單臂特性實驗

1、實驗一 應(yīng)變片單臂特性實驗一、實驗?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路。二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出?？捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材

2、料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為時，根據(jù)電阻的定義式得 （11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時，其長度L、截面積A和電阻率的變化為dL、dA、d相應(yīng)的電阻變化為dR。對式（11）全微分得電阻變化率 dR/R為： （12）式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量L; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量r由材料力學(xué)得：                

3、L= - r          (13)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號表示兩者的變化方向相反。將式（13）代入式（12）得： （14）式（14）說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。2、應(yīng)變靈敏度    它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。    (1)、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取 （15）其靈敏度系數(shù)為：K= 金屬導(dǎo)

4、體在受到應(yīng)變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。 (2)、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R<d。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。且不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減小）的壓阻效應(yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。

5、    半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，可正可負(fù)，與材料性質(zhì)和應(yīng)變方向有關(guān)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。本實驗以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖11所

6、示。(a) 絲式應(yīng)變片 (b) 箔式應(yīng)變片圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)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： RRK 式中：RR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。5、測量電路   為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測量中得到了廣泛的

7、應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D12（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖12 應(yīng)變片測量電路（a）、單臂UoUU(R4R4)(R4R4R3)R1(R1R2)E（R1R2）（R4R4）R1（R3R4R4）（R3R4R4）（R1R2）E設(shè)R1R2R3R4，且R4R4RR1，RRK。則Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE(b)、雙臂(半橋)同

8、理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全橋同理:Uo(RR)EKE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D 圖13 應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖中R1、R2、R3為350固定電阻，R4為應(yīng)變片； W1和r組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，供橋電源直流±4V。橋路輸出電壓Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。三、需用器件與單元：機(jī)頭中的應(yīng)變梁的應(yīng)變片、測微頭；顯示面板中的F/V表(或電壓表)、±2V±10V步進(jìn)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片、調(diào)理電路單元中的電橋、差動放大器； 4位數(shù)顯萬用表（自備）。四、需用器件與單元介紹：1、圖

9、14調(diào)理電路面板中的電橋單元。圖中：菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參考而設(shè)，無其它實際意義)。R1=R2=R3=350是固定電阻，為組成單臂應(yīng)變和半橋應(yīng)變而配備的其它橋臂電阻。W1電位器、r電阻為電橋直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)，W2電位器、C電容為電橋交流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)。圖14電橋面板圖2、圖15為差動放大器原理圖與調(diào)理電路中的差動放大器單元面板圖。圖15 差動放大器原理與面板圖圖中：左圖是原理圖，A是差動輸入的放大器；右圖為面板圖。3、附：測微頭的組成與使用：測微頭組成和讀數(shù)如下圖16所示。圖16測位頭組成與讀數(shù)測微頭組成： 測微頭由不可動部分中的安裝套（應(yīng)變梁的測微頭無安裝套）、軸套和可動部

10、分中的測桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標(biāo)有數(shù)字的是整毫米刻線(1格)，另一排是半毫米刻線(0.5格)；微分筒前部圓周表面上刻有50等分的刻線(0.01格)。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向移動微小位移0.01毫米，這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀110分度，如圖16甲讀數(shù)為3.678，不是3.178；遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應(yīng)看微分筒的示值是否過零，如圖16乙已

11、過零則讀2.514；如圖16丙未過零，則不應(yīng)讀為，讀數(shù)應(yīng)為1.980。測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動微分筒到10處(為了保留測桿軸向前、后位移的余量)，再將測微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動測微頭的安裝套(測微頭整體移動)使測桿與被測體連接并使被測體處于合適位置(視具體實驗而定)時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體就會隨測桿而位移。五、實驗步驟：1、 在應(yīng)變梁自然狀態(tài)（不受力）的情況下，用4位數(shù)顯萬用表2k電阻檔測量所有應(yīng)變片阻值；在應(yīng)變梁受力狀態(tài)（用手壓、提梁的自由端）的情況下，測應(yīng)變片阻值

12、，觀察一下應(yīng)變片阻值變化情況(標(biāo)有上下箭頭的4片應(yīng)變片縱向受力阻值有變化；標(biāo)有左右箭頭的2片應(yīng)變片 橫向不受力阻值無變化，是溫度補(bǔ)償片)。如下圖17所示。圖17觀察應(yīng)變片阻值變化情況示意圖2、 差動放大器調(diào)零點：按下圖18示意接線。將FV表(或電壓表)的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上主、副電源開關(guān)，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)到底后再逆向回轉(zhuǎn)一點點(放大器的增益為最大，回轉(zhuǎn)一點點的目的：電位器觸點在根部估計會接觸不良)，調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調(diào)節(jié)完成，關(guān)閉主電源。圖18 差放調(diào)零接線圖3、應(yīng)變片單臂電橋特性實驗：將±2V

13、77;10V步進(jìn)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源切換到4V檔，將主板上傳感器輸出單元中的箔式應(yīng)變片(標(biāo)有上下箭頭的4片應(yīng)變片中任意一片為工作片)與電橋單元中R1、R2、R3組成電橋電路，電橋的一對角接±4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將W1電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡(luò)接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的±4V電源端、W1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖19示意接線(粗細(xì)曲線為連接線)。圖19 應(yīng)變片單臂電橋特性實驗原理圖與接線示意圖檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)，當(dāng)機(jī)頭上應(yīng)變梁自由端的測微頭離開自由端（梁處于自然狀態(tài)，圖17機(jī)頭所示）時調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平

14、衡網(wǎng)絡(luò)W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0。 在測微頭吸合梁的自由端前調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使測微頭的讀數(shù)為10mm左右（測微頭微分筒的0刻度線與測微頭軸套的10mm刻度線對準(zhǔn)）；再松開測微頭支架軸套的緊固螺釘，調(diào)節(jié)測微頭支架高度使梁吸合后進(jìn)一步調(diào)節(jié)支架高度，同時觀察電壓表顯示絕對值盡量為最小時固定測微頭支架高度（擰緊緊固螺釘，圖19機(jī)頭所示）。仔細(xì)微調(diào)測微頭的微分筒使電壓表顯示值為0（梁不受力處于自然狀態(tài)），這時的測微頭刻度線位置作為梁位移的相對0位位移點。首先確定某個方向位移，以后每調(diào)節(jié)測微頭的微分筒一周產(chǎn)生0.5mm位移，根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次增加0.5mm并讀取相應(yīng)的電壓值填入表1中；然后反方向調(diào)節(jié)測微頭的微分筒使電壓表顯示0V（這時測微頭微分筒的刻度線不在原來的0位位移點位置上，是由于測微頭存在機(jī)械回程差，以電壓表的0V為標(biāo)準(zhǔn)作為0位位移點并取固定的相對位移X消除了機(jī)械回程差），再根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次反方向增加0.5mm并讀取相應(yīng)的電壓值填入表1中。注：調(diào)節(jié)測微頭要仔細(xì)，微分筒每轉(zhuǎn)一周X=0.5mm；如調(diào)節(jié)過量再回調(diào)，則產(chǎn)生回程差。表1 應(yīng)變片單臂電橋特性實驗數(shù)據(jù)：位移(mm)-8.0-1.0-0.50+0.5+1.0+8.0電壓(mV)根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實驗曲線并計算靈敏度SV/X