金屬箔式應(yīng)變片傳感器性能研究-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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南昌大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 普通物理實(shí)驗(yàn)（3） 實(shí)驗(yàn)名稱： 金屬箔式應(yīng)變片傳感器性能研究 學(xué)院： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)： 座位號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1.了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，掌握單臂電橋工作原理和性能。 2.比較全橋、、半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。 3.了解全橋測(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)及其在工程測(cè)試中的實(shí)際應(yīng)用。 二、 實(shí)驗(yàn)儀器： 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、托盤、砝碼、、數(shù)顯電壓表、15V和4V電源 三、 實(shí)驗(yàn)原理： 電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(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：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=Δl/l為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感組件，四個(gè)金屬箔應(yīng)變片分別貼在彈性體的上下兩側(cè)，彈性體受到壓力發(fā)生形變，應(yīng)變片隨彈性體形變被拉伸，或被壓縮。通過(guò)這些應(yīng)變片轉(zhuǎn)換被測(cè)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。 1、單臂電橋?qū)嶒?yàn)如圖1-1所示，R5、R6、R7為固定電阻，與應(yīng)變片一起構(gòu)成一個(gè)單臂電橋。 其輸出電壓 E為電橋電源電壓，R為固定電阻值，上式表明單臂電橋輸出為非線性，存在著非線性誤差 2、半橋差動(dòng)電路如圖1-2，不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊。 圖1-2 電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善，當(dāng)兩只應(yīng)變片的阻值相同、應(yīng)變數(shù)也相同時(shí)，半橋的輸出電壓為 U0=EKε2=E2??RR E為電橋電源電壓，上式表明，差動(dòng)半橋輸出與應(yīng)變片阻值變化率呈線性關(guān)系。 3、全橋測(cè)量電路如圖1-3，受力性質(zhì)相同的兩只應(yīng)變片接到電橋的對(duì)邊，不同的接入鄰邊，當(dāng)應(yīng)變片初始值相等，變化量也相等時(shí)，其橋路輸出： E為電橋電源電壓，上式表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍。 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1、單橋性能測(cè)試 （1）變傳感器上的各應(yīng)變片已分別接到應(yīng)變傳感器模塊左上方的R1、R2、R3、R4上，可用多用表測(cè)量判別，R1=R2=R3=R4=350Ω. （2）從主控臺(tái)接入15V電源，檢查無(wú)誤后，合上主控臺(tái)電源開關(guān)，將差動(dòng)放大器的輸入端Ui短接，輸出端U02接數(shù)顯電壓表（選擇2V檔），調(diào)節(jié)電位器Rw4，使電壓表顯示為0V，Rw4的位置確定后不能改動(dòng)。關(guān)閉主控臺(tái)電源。 （3）將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變電阻（如R1）接入電橋與R5,R6,R7構(gòu)成一個(gè)單臂直流電橋，見圖31-2，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，直流電源4V，電橋輸出接到差動(dòng)放大器的輸入端Ui，檢查接線無(wú)誤后，合上主控臺(tái)電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表顯示為零（不為零亦可）。 （4）在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動(dòng)放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示2mV，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，表格自擬。 2、半橋性能測(cè)試 差動(dòng)放大器調(diào)零后，按圖31-3接線。調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表顯示為零。在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動(dòng)放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示10mV左右，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，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，表格自擬。 3、全橋性能測(cè)試 差動(dòng)放大器調(diào)零后，按圖31-4接線，在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動(dòng)放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示0.020V左右，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表數(shù)值，直到200g砝碼加完。 五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理： 表一：?jiǎn)螛蛐阅軠y(cè)試 m/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U/mV 2.0 6.1 10.5 14.8 18.1 22.4 26.5 31.2 36.5 40.9 擬合 U/mV 1.65 5.93 10.21 14.48 18.76 23.04 27.32 31.59 35.87 40.15 ΔU/mV 0.35 0.17 0.29 0.32 0.66 0.64 0.82 0.39 0.63 0.75 計(jì)算靈敏度S=ΔUΔW=0.2139V/kg 計(jì)算非線性誤差δf1=Δmyfs100%=0.41% 表二：半橋性能測(cè)試 m/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U/mV 10.0 18.4 27.2 36.1 44.7 53.4 62.2 70.9 79.7 88.3 擬合 U/mV 9.84 18.56 27.28 36.01 44.73 53.45 62.17 70.90 79.62 88.34 ΔU/mV 0.16 0.16 0.08 0.09 0.03 0.05 0.03 0.00 0.80 0.43 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度L=ΔUΔW=0.43615V/kg 計(jì)算非線性誤差δf1=Δmyfs100%=0.215% 表三：全橋性能測(cè)試 m/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U/mV 21.4 42.8 63.7 84.0 104.5 125.1 146.2 166.3 187.7 207.8 擬合 U/mV 21.89 42.57 63.25 83.93 104.6 125.3 146.0 166.7 187.3 208.0 ΔU/mV 0.49 0.23 0.47 0.07 0.11 0.19 0.23 0.35 0.37 0.21 計(jì)算靈敏度L=ΔUΔW=1.034V/kg 計(jì)算非線性誤差δf1=Δmyfs100%=0.235% 六、思考題： 1、單臂電橋時(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用：（1）正（受拉）應(yīng)變片（2）負(fù)（受壓）（3）正、負(fù)應(yīng)變片均可以？ 答：正、負(fù)應(yīng)變片均可以。當(dāng)采用負(fù)應(yīng)變片時(shí)，得到的電壓是負(fù)值。 2、半橋測(cè)量時(shí)兩個(gè)不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片接入電橋時(shí)，應(yīng)放在：（1）對(duì)邊；（2）鄰邊。 答：鄰邊。 3、全橋測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3為對(duì)邊）值R相同時(shí)，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2時(shí)，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。 答：不可以。 4、橋路（差動(dòng)電橋）測(cè)量時(shí)存在非線性誤差，是因?yàn)椋海?）電橋測(cè)量原理上存在非線性（2）應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。 答：電橋測(cè)量原理上存在非線性。