應變片單臂半橋全橋性能實驗

應變片單臂半橋全橋性能實驗第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日實驗目的了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。了解應變片半橋（雙臂）工作特點及性能。了解應變片全橋工作特點及性能。比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結(jié)論。第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日基本原理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(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械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉(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。它可用于能轉(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，在機械加工、計量、建筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日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)則外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)生相應地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應變效應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時，根據(jù)電阻的定義式得第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日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ρ的變化為dL、dA、dρ相應的電阻變化為dR。對式全微分得電阻變化率dR/R為：式中：dL/L為導體的軸向應變量εL;dr/r為導體的橫向應變量εr由材料力學得：εr=-μεL

代入上式式中：μ為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.3～0.5左右；負號表示兩者的變化方向相反。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）。第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、應變靈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；可取其靈敏度系數(shù)為：K=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一般在2左右。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日(2)半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；dR/R<≈dρ?ρ。半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應。不同材質(zhì)的半導體材料在不同受力條件下產(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?。┑膲鹤栊?。也就是說，同樣是拉伸變形，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，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日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（溫漂、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。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、箔式應變片的基本結(jié)構(gòu)金屬箔式應變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成(a)絲式應變片

(b)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，與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，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：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù),ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日5、測量電路為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。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?；倦娐穯伪?、雙臂和全橋。 第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日（a）單臂

Uo＝U①－U③

＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／

〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E設R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K為靈敏度系數(shù)。則Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE（a）單臂（b）半橋（c）全橋（b）雙臂(半橋)同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE（c）全橋同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日6、箔式應變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖中R5、R6、R7為350Ω固定電阻，R1為應變片；RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡，E為供橋電源±4V。橋路輸出電壓Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE差動放大器輸出為Vo。第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日7、應變片半橋特性實驗原理圖不同應力方向的兩片應變片接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日8、應變片全橋特性實驗原理圖應變片全橋測量電路中，將應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ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時，其橋路輸出電壓Uo≈(△R／R)E＝KεE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日三、需用器件與單元主機箱中的±2V～±10V（步進可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源±15V直流穩(wěn)壓電源電壓表應變式傳感器實驗模板托盤砝碼4位數(shù)顯萬用表（自備）。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日四、實驗步驟應變傳感器實驗模板說明：應變傳感器實驗模板由應變式雙孔懸臂梁載荷傳感器（稱重傳感器）、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應變片測量電路、差動放大器組成。實驗模板中的R1(傳感器的左上)、R2(傳感器的右下)、R3(傳感器的右上)、R4(傳感器的左下)為稱重傳感器上的應變片輸出口；沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學者組成電橋接線方便而設；R5、R6、R7是350Ω固定電阻，是為應變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口，做應變片溫度影響實驗時用。多芯插頭是振動源的振動梁上的應變片輸入口，做應變片測量振動實驗時用。第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日1、將托盤安裝到傳感器上第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日2、測量應變片的阻值當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R4的阻值變化，分析應變片的受力情況（受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變小。）。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日3、實驗模板中的差動放大器調(diào)零按圖示接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(先順時針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)實驗模板放大器的調(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日4、應變片單臂電橋?qū)嶒炾P閉主機箱電源，按示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調(diào)節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使主機箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點放置)，讀取相應的數(shù)顯表電壓值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表1。第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日表1應變片單臂電橋性能實驗數(shù)據(jù)5、根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線并計算系統(tǒng)靈敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV輸出電壓變化量，ΔW重量變化量）和非線性誤差δ，δ=Δm/yFS×100％式中Δm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。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日6、應變片半橋性能實驗關閉主機箱電源，按示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調(diào)節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使主機箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點放置)，讀取相應的數(shù)顯表電壓值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表2。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日表2應變片半橋?qū)嶒灁?shù)據(jù)7、根據(jù)表2實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線，計算靈敏度S＝ΔV/ΔW，非線性誤差δ。

重量(g)0

電壓(mV)0

第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日8、應變片全橋性能實驗關閉主機箱電源，按示意圖接線，將±2V～±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調(diào)節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使主機箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點放置)，讀取相應的數(shù)顯表電壓值，記下實驗數(shù)據(jù)填入表3。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日表3全橋性能實驗數(shù)據(jù)7、根據(jù)表3實驗數(shù)據(jù)作出實驗曲線，計算靈敏度S＝ΔV/ΔW，非線性誤差δ。

重量(g)0

電壓(mV)0

第二十五頁，共二十六頁，2022年，8月