應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)報(bào)告 金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告（傳感器原理及工程應(yīng)用）課程名稱：傳感器原理及工程應(yīng)用專業(yè)班級(jí)： 電子1412學(xué)生姓名:孫瑋盛建東張昱學(xué)生姓名:孫瑋盛建東張昱所屬院部：電子與信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師: 王儉20162017學(xué)年第2學(xué)期金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)、測(cè)量電路原理分析應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)所使用的原理電路如圖1所示。該電路主要由單臂直流電橋電路和由四運(yùn)放組成的放大電路構(gòu)成。單臂直流電橋電路中的R2為應(yīng)變片，R6的作用是調(diào)零，將電橋兩端調(diào)節(jié)平衡，使得電橋輸出端初始狀態(tài)下為零。其輸出的差值電壓為一(1)上式中，k為一個(gè)和R3、R4和R5有關(guān)的一個(gè)值。對(duì)于放大電路，設(shè)放大電路兩個(gè)輸入端電壓分別為乂］和Vi2,IC4負(fù)輸入端電壓為Vref，且R11和R10相等，R12和R13相等，則可以推導(dǎo)出Vo的表達(dá)式為由上式可知，該電路可以通過調(diào)節(jié)R16以改變VREF實(shí)現(xiàn)較零，通過調(diào)節(jié)R7來改變放大的倍數(shù)。圖1二、實(shí)驗(yàn)具體步驟如圖2所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞1,R2,R3,R4為應(yīng)變片，沒有文字標(biāo)記的5個(gè)電阻符號(hào)下面是空的。根據(jù)圖2所示，應(yīng)變式傳感器裝于應(yīng)變器傳感器模塊上，傳感器中4片應(yīng)變片和加熱電阻連接在實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降腞1,R2,R3,R4和加熱器上，傳感器左下角應(yīng)變片為R1；右下角為R2；右上角為R3；左上角為R4。當(dāng)傳感器托盤支點(diǎn)受壓時(shí)，R1,R3阻值增加，R2,R4阻值減小，可用四位半數(shù)顯萬用表進(jìn)行測(cè)量判別，常態(tài)時(shí)應(yīng)變片阻滯為350Q，加熱絲電阻為50Q左右。先根據(jù)圖2安裝接線，然后將圖2實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳戏糯笃鞯膬奢斎攵丝谝€暫時(shí)脫開，再用導(dǎo)線將兩輸入端短接（Vj=0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置；將主機(jī)箱電壓表的量程切換開關(guān)打到2V檔，合上主機(jī)箱電源開關(guān);調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4,使電壓表顯示為零。接下來，拆去放大器輸入端口的短接線，將暫時(shí)脫開的引線復(fù)原。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)箱電壓表顯示為零；在應(yīng)變傳感器的托盤上放置一只砝碼，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200g砝碼加完。最后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表1為每次增加一個(gè)砝碼（每個(gè)砝碼為20g）以及加滿10個(gè)砝碼后逐個(gè)撤去時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)。表2、表3為每次增加2個(gè)和3個(gè)砝碼以及撤去時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。重量（g）020406080100120140160180200電壓（V）0.0000.0030.0070.0110.0140.0180.0220.0250.0290.0320.036電壓（V）0.0010.0040.0080.0110.0150.0180.0210.0260.0290.0330.036表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)表1計(jì)算得系統(tǒng)靈敏度為：— （3）根據(jù)式（1）和式（2）可知，理想狀態(tài)下，重量與輸出電壓的關(guān)系曲線應(yīng)該為一條固定斜率且過原點(diǎn)的直線。我們可以將圖中最大值和最小值的連線設(shè)為理想線段，其斜率即為式（3）中所算的靈敏度S的值，理想線段數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)繪制理想值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，其如圖3所示。從圖中可以看出實(shí)際測(cè)量值和理想值之間誤差較小，誤差均值為0.000236V。此外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到非線性誤差為：上式中為輸出值與理想線段的最大誤差， 為滿量程輸出平均值，此處為200g。重量(g)020406080100120140160180200電壓(mV)03.67.210.814.418.021.625.228.832.436.0表2理想線段數(shù)據(jù)重量/g重量/g_理想值實(shí)測(cè)值—差值圖3理想值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖根據(jù)測(cè)量值可以計(jì)算出線性趨勢(shì)線，得到其表達(dá)式為：(5)線性趨勢(shì)線是適用于簡單線性數(shù)據(jù)集的最佳擬合直線，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合該特性，因此選擇線性趨勢(shì)線，其數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表1和表3的數(shù)據(jù)繪制趨勢(shì)線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，其如圖3所示。從圖中可以看出，兩者的差值的平均值為0.000238V，此時(shí)差值與圖3中差值接近。此外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計(jì)算得到非線性誤差為：— (6)從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，測(cè)量值與趨勢(shì)線之間的非線性誤差要好于測(cè)量值與理想曲線的非線性誤差。重量(g)020406080100120140160180200電壓(mV)-0.183.4367.05410.6714.2917.9121.5325.1428.7632.3836.00表3趨勢(shì)線數(shù)據(jù)

0.040.0350.030.0250.0050.01—差值0-0.0050 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.02電0.040.0350.030.0250.0050.01—差值0-0.0050 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.02電0.015i—實(shí)測(cè)值-?-趨勢(shì)線圖4趨勢(shì)線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖圖5為將砝碼拿下時(shí)測(cè)量的值和理想值的對(duì)比圖。從圖中可以看出砝碼拿下時(shí)，與理想值的差值較圖3中要大，差值的均值為0.000545V，但仍近似滿足理想線段。其非線性誤差為：—⑺0*—測(cè)量值-崇-理想值—差值0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.030.0250.010.0050*—測(cè)量值-崇-理想值—差值0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220重量/g0.030.0250.010.0050.040.035壓0.02電0.015圖5砝碼拿下時(shí)測(cè)量值和理想值的對(duì)比圖圖6為將砝碼拿下時(shí)測(cè)量的值和趨勢(shì)線的對(duì)比圖。從圖中可以看出砝碼拿下時(shí)，其與趨勢(shì)線的差值的均值為0.000637V，相對(duì)于與理想線段對(duì)比的差值要大。其非線性誤差為：(8)同樣，由上面的結(jié)果也可以看出，與趨勢(shì)線的線性誤差要大于與理想線段對(duì)比。因此從上述數(shù)據(jù)可以看出，理想曲線更加接近測(cè)量值，且理想曲線也線性和過零點(diǎn)的條件。重量/g重量/g——實(shí)測(cè)值-*-趨勢(shì)線—差值圖6砝碼拿下時(shí)測(cè)量值和趨勢(shì)線的對(duì)比圖四、 實(shí)驗(yàn)遇到的問題及誤差原因分析對(duì)于上述出現(xiàn)的全部誤差及實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的情況分析如下：（1） 應(yīng)變片反應(yīng)不靈敏或電路預(yù)熱不完全。實(shí)驗(yàn)中我們先用R1進(jìn)行了測(cè)量，但發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量變化十分小，有時(shí)增加好幾個(gè)砝碼數(shù)值都不發(fā)生變化。之后我們換了R2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此時(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)比較好，有明顯變化且呈線性。（2） 調(diào)零時(shí)不夠準(zhǔn)確。因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器阻值較大，調(diào)零時(shí)讀數(shù)會(huì)波動(dòng)很大，且調(diào)零后較容易受外界干擾。（3） 桌面晃動(dòng)，儀器不水平。測(cè)量能明顯感覺到，如有同學(xué)拍一下或動(dòng)桌子，數(shù)值會(huì)發(fā)生明顯變化。因此我們總共測(cè)了四次，我們從其中選擇了最為穩(wěn)定的進(jìn)行分析。（4） 移動(dòng)砝碼時(shí)必須做到輕拿輕放，如果動(dòng)作過大或者一瞬間加的砝碼數(shù)量較多時(shí)，將會(huì)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片發(fā)生過形變，導(dǎo)致讀數(shù)數(shù)值偏大。（5） 支架松動(dòng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備支架最初松動(dòng)的較為厲