2023年自动化传感器实验报告二金属箔式应变片——半桥性能实验2.docx

自动化传感器实验报告二金属箔式应变片——半桥性能实验 篇一：自动化传感器实验报告三__金属箔式应变片——全桥性能实验 一、实验目的 了解全桥测量电路的原理及优点。 二、根本原理 全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。 三、需用器件和单元 传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。 四、实验内容与步骤 1．根据图3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。 全桥时传感器的特性曲线 图3-1 应变式传感器全桥实验接线图 五、实验本卷须知 1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否那么容易损坏传感器。 2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。 六、思考题 1．全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。 图3-2 应变式传感器受拉时传感器周面展开图 答：不可以。 2．某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。 答：将这两组应变片分别按照两个不同的方向贴在棒材上面就可以了，然侯利用不同的两组测量值就可以组成一个全桥电路，进而获得测量结果，无需再引入外界电阻。 3、（1）计算系统灵敏度： ΔV=（25-13）+（37-25）+ +（124-112）/9=12.33mV ΔW=20g S=ΔV/ΔW=0.616mV/g （2）计算非线性误差： Δm =（13+25+37+50+62+75+87+100+112+124）/10=68.5mV yFS=120mV δf =Δm / yFS×100%=5.71% 八、误差分析 1、鼓励电压幅值与频率的影响。 2、温度变化的影响。 3、零点剩余电压的影响。 零点剩余电压产生原因：①基波分量。②高次谐波。 消除零点剩余电压方法： 1．从设计和工艺上保证结构对称性。补偿线路。 ．选用适宜的测量线路。3．采用 2 篇二：传感器实验报告 传感器实验报告 实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一、实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应，并掌握单臂电桥工作原理和性能。 二、根本原理: 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。 1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规那么外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应〞。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得 （1—1） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R为： （1—2） 式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr 由材料力学得： εL= - μεr(1—3) 式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得： （1—4） 式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。 2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取 （1—5） 其灵敏度系数为： K = 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正 （使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要表达为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。 3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。 x本实验以金属箔式应变片为研究对象。 4、箔式应变片的根本结构 金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右 的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。 (a) 丝式应变片(b) 箔式应变片 图1-1应变片结构图 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原理相同。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： ΔR／R＝Kε 式中：ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。 5、箔式应变片单臂电桥实验原理图 图1-2 应变片单臂电桥性能实验原理图 对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。 三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。 四、实验步骤： 1、根据图(1-3)应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。 图1-3 应变式传感安装示意图 2、接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。 篇三：自动化传感器实验报告一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 广东技术师范学院实验报告 学院： 自动化 专业： 自动化 姓名：实验地点： 学号： 实验日期：班级： 08自动化 组 别： 成 绩： 组员：指导教师签名： 实验一 工程名称： 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一、 实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、 根本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为： R l （1） S 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，那么有： RlS（2） RlS 式中的l为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1×106）。 假设径向应变为r ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为 ，因为S=2（），那么（2）式可以写成： （）Rlll（3） 12）（12k0Rllll 式（3）为“应变效应〞的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是，是 ） 材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应〞）。对于金属材料而言，以前者为主，那么 k012，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也说明，在金属丝拉 伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象外表上。在外力作用下，被测对象外表产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应 力应变关系： E （4） 式中σ——测试的应力； E——材料弹性模量。 可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。 三、 需用器件与单元 传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、±15V电源、±5V电源，传感器调理电路挂件。 四、实验内容与步骤 1．应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装在传感器实验箱（一）上，传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4，可用万用表测量R1=R2=R3=R4=350Ω。 R4 R3 R1 R2 图1-1 应变式传感器安装示意图 2．把15V直流稳压电源接入“传感器调理电路〞实验挂箱，检查无误后，开启实验台面板上的直流稳压电源开关，调节Rw3使之大致位于中间位置（Rw3为10圈电位器），再进行差动放大器调零，方法为：将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端Uo2接直流电压表，调节实验模板上调零电位器Rw4，使直流电压表显示为零，关闭直流稳压电源开关。（注意：当Rw3的位置一旦确定，就不能改变。） 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 3．按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图1-2所示。检查接线无误后，合上直流稳压电源开关，调节Rw1，使直流电压表显示为零。 4．在砝码盘上放置一只砝码，待直流电压表数值显示稳定后，读取数显值，以后每次增加一个砝码并读取相应的测量值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表1-1，关闭电源。 5. 根据表1-1计算系统灵敏度SU/W（U输出电压的变化量，W重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS ×100％ 式中m（屡次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g。 解：S=200/47=4.225 δf1=Δm/yFS ×100％=2/200×100％=1％ 五、思考题 1．单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 答：应选用正应变片。 六、实验报告要求 1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。 2．从理论上分析产生非线性误差的原因。 答：产生非线性误差的原因：电阻变化率△R/R不可能完全成线性增加。 广东技术师范学院预习报告 学院： 自动化 专业： 自动化 姓名：实验地点： 学号： 实验日期：班级： 08自动化 组 别： 成 绩： 组员：指导教师签名： 实验一 工程名称： 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 四、 实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 五、 根本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为： R l （1） S 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（