傳感器基本原理實驗

1、一、 傳感器基本原理實驗實驗三 金屬箔式應變片全橋性能實驗一、實驗目的了解應變片全橋工作特點及性能。二、實驗內(nèi)容掌握電阻應變片的全橋應用原理。三、實驗儀器傳感器檢測技術綜合實驗臺、電阻應變片實驗模塊、砝碼、導線。四、實驗原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變時,其電阻值發(fā)生變化,這就是電阻應變效應,描述電阻應變效應的關系式為:R /R =K ,式中:R /R 為電阻絲電阻相對變化,K 為應變靈敏系數(shù),=L/L 為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件,通過它轉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的受力狀態(tài)。對單臂

2、電橋輸出電壓 U o1=EK /4。電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內(nèi)部變形轉換成電阻變化的傳感器,此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量的電阻轉換成電壓或是電流變化信號輸出。可用于能轉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,機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。1、 應變片的電阻應變效應所謂電阻應變效應是指具有規(guī)則形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生應變而其電阻值也會產(chǎn)生相應的改變,這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應變效應”。經(jīng)圓柱形導體為例:設其長為:L 、半徑為r 、材料的電阻率為時,根

3、據(jù)電阻的定義式得2L LR A r= (1-1 當導體因某種原因產(chǎn)生應變時,其長度L ,截面積A 和電阻率的變化為dl 、dA 、d 相應的電阻變化為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 為導體的軸向應變量;dr/r 為導體的徑向應變量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說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變(幾何效應和本身特有的導電性能(壓阻效應。2、應變靈

4、敏度它是指電阻應變片在單位應變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。 (1金屬導體的應變靈敏度K :主要取決于其幾何效應;可取(12dRR+ (1-5 其靈敏度系數(shù)為:(12dRK R=+ (1-6 金屬導體在受到應變作用時將產(chǎn)生電阻的變化,拉伸時電阻增大,壓縮時電阻減小,且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度與電阻變化成正比,金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。(2半導體的應變靈敏度:主要取決于其壓阻效應:dR/R<dp/p 。半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性,因而改變了半導體的導電機理,使得它們的電阻率發(fā)生變化,這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應。且不同材質(zhì)的半導體在不

5、同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應不同,可以是正(使電阻增大的或負(使電阻減小的壓阻效應。也就是說同樣的拉伸變形,不同材質(zhì)的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。半導體材料的電阻應變效應主要體現(xiàn)為壓阻效應,可正可負,與材料性質(zhì)和應變方賂有關,其靈敏度系數(shù)較大,一般在100到200左右。3、貼片式應變片應用在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片,貼片式半導體應變片(溫度、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞很少應用,一般半導體應變采用N 型單晶硅為傳感器的彈性元件,在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜(擴散出敏感柵,制成擴散型壓阻式(壓阻效應傳感器。本實驗采用金屬箔式應變片為研究對象。 4、箔式應變片的

6、基本結構應變片是在用苯酚、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 箔式應變片金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件,與比式應變片工作原理相同。電阻在外力作用下發(fā)生機械形變時,其電阻值發(fā)生變化,這就是電阻應變效應,描述電阻應變效應的關系式為:R/R=K 式中;R/R 為電阻絲電阻相對變化,K 為應變靈敏系數(shù)=L/L 為電阻絲長度相對變化。5、測量電路為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號,在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單,靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補

7、償?shù)葍?yōu)點。能較好滿足各種應變測量要求,因此在應變測量中得到廣泛的應用。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 =應變片全橋性實驗原理如圖3-1所示。應變片全橋測量電路,將受力方向相同的兩應變片接入電橋?qū)?相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值:R1=R2=R3=R4,其變化值R1=R2=R3=R4時,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 應變片全橋特性實驗原理圖六、實

9、驗步驟1、請按下圖進行接線:電阻應變片實驗模塊的電源單元接主臺體上的±15V,其他的接線嚴格按照以下接線圖進行。 V圖3-2 全橋性能接線圖2、將差動放大器調(diào)零:將Vin+ 、Vin-、GND進行短接,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變傳感器實驗模塊,將RW3調(diào)至中間位置,調(diào)節(jié)RW4使電壓表顯示為0,關閉主臺體電源。3、將電阻應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的數(shù)顯表值,記下的實驗數(shù)據(jù)填入表1。表1 應變片單臂電橋特性實驗數(shù)據(jù) 5、根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實驗曲線并計算靈敏度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、