傳感器基本原理實(shí)驗(yàn)

1、一、 傳感器基本原理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三 金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈶?yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握電阻應(yīng)變片的全橋應(yīng)用原理。三、實(shí)驗(yàn)儀器傳感器檢測技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)臺、電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)?zāi)K、砝碼、導(dǎo)線。四、實(shí)驗(yàn)原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(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,電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。對單臂

2、電橋輸出電壓 U o1=EK /4。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)換成電阻變化的傳感器,此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測量的電阻轉(zhuǎn)換成電壓或是電流變化信號輸出?？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,機(jī)械加工、計(jì)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)則形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變,這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。經(jīng)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(shí),根

3、據(jù)電阻的定義式得2L LR A r= (1-1 當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),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(1-1全微公得電阻變化率dR/R 為:2dR dL dr d R L r =-+ (1-2 式中:dL/L 為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量;dr/r 為導(dǎo)體的徑向應(yīng)變量r =- (1-3式中:u 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(1-3代入式(1-2得:(12dR d R =+ (1-4 式(1-4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

4、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(12dRR+ (1-5 其靈敏度系數(shù)為:(12dRK R=+ (1-6 金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化,拉伸時(shí)電阻增大,壓縮時(shí)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)變靈敏度與電阻變化成正比,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<dp/p 。半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)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,使得它們的電阻率發(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)體在不

5、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)。也就是說同樣的拉伸變形,不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。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)變方賂有關(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(溫度、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(shí)驗(yàn)采用金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。 4、箔式應(yīng)變片的

6、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 左右的金屬比或金屬箔制成,如圖1-1所示:基片 圖1-1 箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件,與比式應(yīng)變片工作原理相同。電阻在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(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。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(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)

7、償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好滿足各種應(yīng)變測量要求,因此在應(yīng)變測量中得到廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分為單臂、雙臂(半橋和全橋三種,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(shí)的輸出是單臂時(shí)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是采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D1-2(a 、(b、(c 所示。 (a (b (c (圖1-2 應(yīng)變片測量電路(a 、單臂 Uo=U - U (44/(4431/(12(12(441(344/(344(1212344/4/1/(1/4(4/4(1/4(/(1/4R R R R R R R R ER R R R R

8、 R R R R R R R R E R R R R R R R R R R K Uo R R E R R E K E=+-+=+-+=<<=(b 、雙臂(半橋同理:(12(12O U R R E K E = (c 、全橋同理:(O U R R E K E =應(yīng)變片全橋性實(shí)驗(yàn)原理如圖3-1所示。應(yīng)變片全橋測量電路,將受力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?相反的應(yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始阻值:R1=R2=R3=R4,其變化值R1=R2=R3=R4時(shí),其橋路輸出電壓Uo (R/RE=K E 。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍,非線性得到改善。 圖3-1 應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖六、實(shí)

9、驗(yàn)步驟1、請按下圖進(jìn)行接線:電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源單元接主臺體上的±15V,其他的接線嚴(yán)格按照以下接線圖進(jìn)行。 V圖3-2 全橋性能接線圖2、將差動(dòng)放大器調(diào)零:將Vin+ 、Vin-、GND進(jìn)行短接,V out2接到主臺體電壓表上,選擇20V檔,打開主臺體電源和電阻應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K,將RW3調(diào)至中間位置,調(diào)節(jié)RW4使電壓表顯示為0,關(guān)閉主臺體電源。3、將電阻應(yīng)變的電橋輸出接入到Vin+、Vin- ,打開主臺體電源,調(diào)節(jié)電橋單元中的RW1電位器使電橋輸出為0。4、在托盤中放入一只砝碼(20g/只,讀取數(shù)顯電壓值,依次增加砝碼和讀取相對應(yīng)的數(shù)顯表值,記下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。表1 應(yīng)變片單臂電橋特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 5、根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實(shí)驗(yàn)曲線并計(jì)算靈敏度S=V/W (V輸出電壓變化量,W重量變化量和非線性誤差(用最小二乘法,=m/yFS*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;yFS滿量程輸出平均值,此處為200g。6、