《whut传感器原理实验指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《whut传感器原理实验指导书（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1实验一实验一 电阻应变片传感器在电桥中的接法、性能检测及应用电阻应变片传感器在电桥中的接法、性能检测及应用电子秤设计电子秤设计本实验为综合性实验，学时数：4 本综合实验涉及的基本内容是金属箔式应变片传感器的基本原理，结构、性能及如何 通过金属箔式应变片传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数等知识。重 点是金属电阻应变效应，金属应变片的主要特性；半导体材料的压阻效应。压力传感器的 应用及测量处理与转换电路，温度误差产生的原因及补偿。要求实验者除应具备传感器基 本知识外，还必须具备模拟电子技术，数字电子技术的基本知识，同时要求将所学知识灵 活、综合地应用。一、实验目的：一、实验目的：
2、1. 初步掌握传感器综合实验仪的结构及操作方法；2. 学习掌握应变片在电桥中的接法及直流电桥与交流电桥的工作原理及特点；3. 了解金属箔式应变片、单臂电桥、半桥及全桥的工作原理和工作情况；4. 掌握测试直流、交流单臂、半桥、全桥的性能的操作方法；5通过电子秤设计实验，更好地理解电阻应变式传感器的实际应用；6本次设计实验，使同学们在动手能力得到锻炼的同时充分发挥自己的创新潜能，充分调动学习主动性，培养创新能力；二、实验所需单元及部件：二、实验所需单元及部件：应变式传感器、应变式传感器实验模板、砝码、托盘、音频振荡器、数显表、15V电源、4V 电源。三、实验原理与说明三、实验原理与说明3 1 电电
3、阻阻应变应变式式传传感器的工作原理感器的工作原理电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部形变转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。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形变转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成形变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。其主要特点是： 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量 环境适应性好，应用领域广泛。
4、3 2 金属箔金属箔应变应变片的基本片的基本结结构构2金属箔应变片的敏感栅是用 0.0010.01mm 厚的金属箔通过光刻技术制作成，可以很 方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花。如图 1-1 所示。图 11 箔式应变片结构 图 1-2 应变片结构箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小；由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流；同时因栅薄，也便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上；且蠕变和机械滞后较小，应力传递性能好。实际应用的电阻应变式传感器主要有四个部分组成，如图 1-2 所示：1：引出线，作为连接测量导线用，对测量精度至关重要。2：电阻丝也叫敏感栅，
5、是应变片的转换元件，是这类传感器的核心构件；3：粘结剂，它的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；4 ：基底，基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；5 ：面胶或叫覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用； 3 3 .测测量量电电路路电阻应变片把机械应变信号转换成 R/R 后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变片的 R/R 变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换的测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
6、能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。如图 1-3 所示。图 1-3 直流、交流电桥电路图直流电桥的优点：高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连线导线的分布参数影响小等。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也比较复杂。因此应变电桥现在多采用交流电桥。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。当电桥平衡时，即1*3=2*4，电桥输出为零。在桥臂
7、1、2、3、4 中，电阻的相对变化分别为1/1、2/2、3/3、4/4，桥路的输出o 与电桥四个臂的电阻的相对变化的代数和即： =1/1-2/2-3/34/4 成正比。 3当使用一片应变片时，=/；当使用二片应变片时，=1/1-2/2。如二片应变片工作于差动状态，且1=2，则有 /R。用四片应变片组成二个差动对工作，且1=2=3=4=,于是有 1/1=-2/2=-3/3=4/4，因此有 =/。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。根据戴维南定理可以得到电桥的输出电压o 近似等于 1/4*E*。电桥的灵敏度:So=o / (/R)，于是，对应于单臂、半桥和全桥的灵敏度分别为(1/4)E
8、，(1/2)E、E。四、实验内容与步骤：四、实验内容与步骤：1金属箔式金属箔式应变应变片片输输出性能出性能标标定定 直流直流单单臂臂电桥电桥 首先熟悉实验所需单元和部件在综合传感器实验仪与应变片传感器实验模块面板上的位置及结构。金属箔应变片的构成如图 1-4 所示：图 1-4 应变式传感器示意图应变式传感器实验模板的布局及单臂电桥、测量电路如图 1-5 所示。图 1-5 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图图中，实验模板中的 R1、R2、R3、R4 为应变片，没有文字标记的 5 个电阻符号下面是空的，其中 4 个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。4 根据图 1
9、-5 安装接线。应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中 4 片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的 R1、R2、R3、R4 和加热器上。 （传感器左下角应变片为 R1；右下角为 R2；右上角为 R3；左上角为 R4） 。当传感器托盘支点受压时，R1、R3 阻值增加（为正应变） ，R2、R4 阻值减小为负应变） ，可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为 350，加热丝电阻值为 50 左右。 放大器调零处理：方法是将图 1-5 实验模板上放大器（IC1、IC2）的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接后接地，使输入为零(Vi0)；调节放大器的增益电位器 RW3 大约到
10、中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转 2 圈半)；将主机箱电压表的量程切换开关打到 2V 档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器 RW4，使电压表显示为零。 应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图 2 接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器 RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到 200g（或 500 g）砝码加完。记下实验结果填入表 1-1 中，关闭电源。表 11(克)直流单臂(mv)(克)直流半桥(mv)(克)直流全桥(mv)(克)交流全桥(mv) 根据
11、表 11 计算系统灵敏度 SU/W（U 输出电压变化量，W 重量变化量）和非线性误差 f1=m/yF.S 100式中 m 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值，此处为 200g（或 500g） 。2金属箔式金属箔式应变应变片片输输出性能出性能标标定定 直流半直流半桥桥此时有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应变、一个负应变，即接 R3 的桥臂为拉应变，接 R2 的桥臂为压应变。实验电路连接如图 1-6 所示5图 1-6 应变式传感器半桥接线图 保持以上差动放大器增益不变。按图 1-6 形成半桥。 调节实验模板上的桥路平衡电位器 RW1，使主机箱电压表显示为零
12、；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或 500 g）砝码加完。记下实验结果填入表 1-1 中，关闭电源。 根据实验测量结果，计算出半桥灵敏度 S，并作出 VX 关系曲线。 3金属箔式金属箔式应变应变片片输输出性能出性能标标定定 直流全直流全桥桥全桥：应变片全桥是指四个桥臂都接有应变片，此时相邻桥臂所接的应变片承受相反应变，相对桥臂所接的应变片承受相同应变。即 R1=R2=R3=R4=R R1=R3=R R2=R4=-R 实验电路连接如图 1-7 所示 ：图 1-7 全桥性能实验接线图 保持以上差动放大器增益不变。按图 1-7 形成
13、全桥。 调节实验模板上的桥路平衡电位器 RW1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g（或 500 g）砝码加完。记下实验结果填入表 1-1 中，关闭电源。 根据实验测量结果，计算出全桥灵敏度 S，并作出 VX 关系曲线。 4金属箔式金属箔式应变应变片片输输出性能出性能标标定定 交流全交流全桥桥交流电桥一般采用音频交流作为供桥电压，在特殊情况下也有采用脉冲供电方式的。交流电路远比直流复杂，特别是在高频时，需要考虑分布电容和分布电感的影响。在实际测量中，电桥的桥臂都是由应变计或固定无感式精密电阻组成，但由于两6邻近
14、导体、导体与机壳以及应变计连接导线间存在着分布电容，所以应变计桥臂实际是由工作片（或电阻）和电容并联而成（分布电感的影响很小， 图 1-8 交流电桥可以不予考虑） ，如图 1-8 所示： 由于供桥电压的频率在测量过程中不变，故可认为分布电容引起的容抗不随工作片的变形而改变其数值。当电桥平衡时，14=23，电桥输出为零。 若桥臂阻抗的变化率分别为 1/1、2/2、3/3、4/4，则电桥的输出与桥臂阻抗变化率的代数和成正比，交流电桥输出的信号，经差动放大器放大后，由相敏检波器检波，低通滤波器滤波，最后由电压表指示出来。金属箔式应变片输出性能标定 交流全桥的测量系统组成电路如图 1-9 所示图 1-
15、9 交流全桥性能实验接线图 首先熟悉公共电路模块（移相器、相敏检波器和低通滤波器）的位置及结构。 按图 1-9，接好实验测量系统电路。模块中，R8、Rw1、C、Rw2 为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，将音频振荡器的频率调节到 5KHz 左右，幅度调节到 10Vp-p。 （频率可用数显表 Fin 监测，幅度可用示波器监测） ，电桥激励必须从LV 插口输出。 将/F 表打到 V2V（或 V200mV）档，差动放大器增益旋钮 RW3 打到最大(顺时针到底)，而后，将差动放大器调零(RW4)。调零完毕后再关闭总电源。 将示波器接入相敏检波的输出端，观察示波器的波形， ，调节 Rw1、Rw2、使示波器显示的波形基本为一条直线，同时观察数字电压表，使指示为零。 用手按压应变片托盘，产生一个较大的位移，调节移
