應變片實驗報告

1、.傳感器實驗-金屬箔式應變片：單臂、半橋、全橋比較【實驗目的】了解金屬箔式應變片，單臂單橋的工作原理和工作情況。驗證單臂、半橋、全橋的性能及相互之間關(guān)系?！舅鑶卧安考恐绷鞣€(wěn)壓電源、電橋、差動放大器、雙孔懸臂梁稱重傳感器、砝碼、一片應變片、電壓/頻率表、電源, 重物加在短小的圓盤上?！拘o初始位置】直流穩(wěn)壓電源打到2V擋，電壓/頻率表打到2V擋，差動放大增益最大?！緫兤墓ぷ髟怼慨斀饘俳z在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。設有一根長度為L、截面積為S、電阻率為的金屬絲，在未受力時，原始電阻為 （1-1）當金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時，將伸長

2、L，橫截面積相應減小S，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化R。對式（11）全微分，并用相對變化量來表示，則有: （1-2）【測量電路】應變片測量應變是通過敏感柵的電阻相對變化而得到的。通常金屬電阻應變片靈敏度系數(shù)K很小，機械應變一般在1010-6300010-6之間，可見，電阻相對變化是很小的。例如，某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生應變-6，應變片的電阻值為，靈敏度系數(shù)K=2,則電阻的相對變化量為10-6=0.002，電阻變化率只有0.2%。這樣小的電阻變化，用一般測量電阻的儀表很難直接測出來，必須用專門的電路來測量這種微弱的電阻變化。最常用的電路為電橋電路。 （a）單臂 （

3、b）半橋 （c）全橋圖1-1 應變電橋直流電橋的電壓輸出當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以，可以認為電橋的負載電阻為無窮大，這時電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為 （1-3）設電橋為單臂工作狀態(tài)，即為應變片，其余橋臂均為固定電阻。當感受應變產(chǎn)生電阻增量 時，由初始平衡條件得，代入式（1-3），則電橋由于 產(chǎn)生不平衡引起的輸出電壓為 （1-4）對于輸出對稱電橋，此時，R，當臂的電阻產(chǎn)生變化 ，根據(jù)式（1-4）可得到輸出電壓為 （1-5）對于電源電橋，當R1臂產(chǎn)生電阻增量時，由式（1-4）得 （1-6） 對于等臂電橋，當?shù)碾娮柙隽?時，由式（1

4、-10）可得輸出電壓為 （1-7）由上面三種結(jié)果可以看出，當橋臂應變片的電阻發(fā)生變化時，電橋的輸出電壓也隨著變化。當 時，電橋的輸出電壓與應變成線性關(guān)系。還可以看出，在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂電橋以及輸出對稱電橋的輸出電壓要比電源對稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。因此在使用中多采用等臂電橋或輸出對稱電橋。在實際使用中，為了進一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個應變片接成兩個差動對稱的全橋工作形式，如圖1-1所示。 由圖1-1可見=R+R，=R-R，=R+R，=R-R，將上述條件代入式（1-4）得 （1-8） 由式（1-8）看出，由于充分利用了雙差動作用，它的輸出電壓為單臂工作

5、的4倍，所以大大提高了測量的靈敏度。實驗步驟：1了解所需單元、部件在實驗儀上的所在位置，觀察梁上的應變片，應變片為棕色襯底箔式結(jié)構(gòu)小方薄片。上下二片梁的外表面各貼二片受力應變片。2將差動放大器調(diào)零：用連線將差動放大器的正（）、負（）、地短接。將差動放大器的輸出端與電壓/頻率表的輸入插口in 相連，電壓/頻率表放在2V檔；開啟電源；調(diào)節(jié)差動放大器的“差動增益”到最大位置，然后調(diào)整差動放大器的“差動調(diào)零”旋鈕使電壓/頻率表顯示為零，關(guān)閉電源。根據(jù)圖接線R1、R2、R3為電橋單元的固定電阻。Rx為應變片；將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置4V擋，F(xiàn)V表置20V擋。開啟電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡中的WD，使FV表顯示

6、為零，等待數(shù)分鐘后將電壓/頻率表置2V擋，再調(diào)電橋WD（慢慢地調(diào)），使電壓/頻率表顯示為零。圖1 單臂電橋應變片實驗接線圖3 在傳感器托盤上放上一只砝碼，記下此時的電壓數(shù)值，然后每增加一只砝碼記下一個數(shù)值并將這些數(shù)值填入下表。根據(jù)所得結(jié)果計算系統(tǒng)靈敏度S=VW，并作出V-W關(guān)系曲線，V為電壓變化率，W為相應的重量變化率。每個砝碼質(zhì)量：砝碼個數(shù)1234567電壓（mV）4雙臂電橋【圖2】：保持放大器增益不變，將R3固定電阻換為與Rx工作狀態(tài)相反的另一應變片即取二片受力方向不同應變片，形成半橋，調(diào)節(jié)電橋W1使FV表顯示表顯示為零，重復（3）過程同樣測得讀數(shù)，填入下表：砝碼個數(shù)1234567電壓（m

7、V）圖2 雙臂電橋應變片實驗接線圖 圖3 全電橋應變片實驗接線圖5全橋?qū)嶒灐緢D3】：保持差動放大器增益不變，將R1，R2兩個固定電阻換成另兩片受力應變片組橋時只要掌握對臂應變片的受力方向相同，鄰臂應變片的受力方向相反即可，否則相互抵消沒有輸出，接成一個直流全橋。重復（3）過程將讀出數(shù)據(jù)填入下表：注意：在沒加重物時會有非零值，記錄下來，減掉即可。砝碼個數(shù)1234567電壓（mV）【數(shù)據(jù)處理】1.在同一坐標紙上繪出m-V曲線，2. 計算單橋、雙橋和全橋的曲線斜率，即其測量靈敏度3. 比較分析三種接法的靈敏度的比值，與理論比值比較。【注意事項】1在更換應變片時應將電源關(guān)閉。2在實驗過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應將電壓量程擴大。3在本實驗中只能將放大器接