测试实验二 称重

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1、实验一 应变片单臂电桥性能实验一、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。二、基本原理：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

2、规则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p时，根据电阻的定义式得LLR = P =P（1一1）A n - r 2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p的变化为dL、dA、dp相应 的电阻变化为dR。对式（11）全微分得电阻变化率dR/R为：dR dLdr dP= -2 +（12）RLrP式中：dL/L为导体的轴向应变量l； dr/r为导体的横向应变量r由材料力学得：l=-叫（13）式中：M为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.30.5左右

3、；负号表示两者的变 化方向相反。将式（13）代入式（ 12）得：dRdP=（1 + 2 卩）8 +（14）RP式（14）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dR（1 + 2 卩）8（15）RldR其灵敏度系数为：K=二（1 + 2卩）8Rl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

4、压阻效应；dR/Rvdpp。半导体材料之所以 具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形 时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化， 这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。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体现为压阻效应，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

5、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。本实验中使用的是单轴金属箔式应变片。4、箔式应变片的基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11 所示。91出红电斶雅坡迟冊；1出找1匚片戍就延细绿忙（a） 丝式应变片（b） 箔式应变片图11 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，与金属丝式应变片工作原 理相同。电阻丝在外力作

6、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： R/R=K式中： R/R为电阻丝电阻相对变化，K为 应变片的灵敏系数, = L/L为电阻丝长度相对变化。5、测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电 路作为其测量电路。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。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。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、线性、稳定性 较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时

7、的四倍， 性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图 1一2 （a）、（b）、（c）所示。（a）单臂（b）半桥（c）全桥图1一2 应变片测量电路(a) 、单臂Uo=U_U =(R1 + R1) / (Ri + Ri + R5)R7/ (R7 + R6)E=E (R7 + R6)(Ri + Ri)R7(R5 + R1 + R1)/(R5 + R1 + aR1)(R7 + R6) 设 R1 = R5 = R6 = R7，且R1/R1=A R/RVV1, R/R=K , K 为应变片的灵敏系数。则Uo (1 /4)(aRi / Ri)E= (1 / 4)(aR

8、/ R)E= (1 / 4) K E(b) 、双臂(半桥)同理:Uo(1/2)(aR/R)E=(1/2)K E(c) 、全桥同理:Uo(R/ R)E=K E6、箔式应变片单臂电桥实验原理图图13 应变片单臂电桥性能实验框图图中R5、R6、R7为350Q固定电阻，Ri为箔式应变片；E为供桥电源土4V。桥路输出电压Uo(1/4)(&4/R4)E=(1/4)(aR/R)E=(1/4)K E。差动放大器输出 为Vo。三、需用器件与单元：主机箱中的土2V10V (步进可调)直流稳压电源、15V直流1稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；4 2位数显万用表(自备)。四、实验步骤：应变传感器实

9、验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器、应变片测量电路、差动放大器组 成。没有文字标记的几个电阻符号是空的，里面无实体；R5、R6、R7是350Q固定电阻，是 为方便用应变片组成单臂电桥、双臂电桥而设的电阻。1、将托盘安装到传感器上，如图14所示。引岀适rr图14 传感器托盘安装示意图2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片Rl、R2、R3、R4 的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量Rl、R2、R3、R4的阻值变化，分析 应变片的受力情况（受拉的应变片阻值变大，受压的应变片阻值变小）。 ： ：扌I 一住T!用值-15V0痕变传感器实验模板图15 测量应变片的阻值

10、示意图3、实验模板中的差动放大器调零：按图16 示意接线，将主机箱上的电压表量程切换 开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3到 合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转2 圈），再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使数字电压表显示为零。-I 申-+L：Vr应变传感描咗验模板.匚;:;*图16 差动放大器调零接线示意图4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源，按照单臂电桥接线，将土2V10V可调电源 调节到4V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关，在传感器的托盘上依次放置20g砝 码（尽量靠近托盘的中心放置），共需放置10个砝码，并读取相应的数显表电

11、压值，记下实验 数据填入表1。表1 应变片单臂电桥性能实验数据重量g020406080100120140160180200电压mv5、实验报告要求：(1) 根据表1数据作出曲线，并计算系统灵敏度S=A V/a W(a V输出电压变化量， W重 量变化量)和非线性误差5，6 = m/yFS X100%，此式中厶m为输出值与拟合直线的最大 偏差，yFS为满量程输出值，此处为输入200g砝码时对应的输出电压值。(2) 写出前级测量放大器(即仪表放大器)的输出电压表达式Vol,写出后级放大器的输 出电压表达式Vo2。实验二 应变片半桥性能实验一、实验目的：了解应变片半桥(双臂)工作特点及性能。 二、基

12、本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图21 所示。 不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路 输出电压Uo(1/2)(aR/R)E=(1/2)K E。1flWV-.-WR7图21 应变片半桥特性实验框图三、需用器件与单元：主机箱中的土2V10V (步进可调)直流稳压电源、15V直流 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤：1、关闭主机箱电源，按照双臂电桥接线。检查接线无误后合上主机箱电源开关，在传感器 的托盘上依次放置20g砝码(尽量靠近托盘的中心放置)，共需放置10个砝码，并读取相应的 数显表电压值，记下

13、实验数据填入表2 中。表2 应变片半桥实验数据重量g020406080100120140160180200电压mv2、实验报告要求：(1) 根据表2数据作出曲线，并计算系统灵敏度S=a V/a W(a V输出电压变化量， W重 量变化量)和非线性误差5，6 = m/yFS X100%，此式中厶m为输出值与拟合直线的最大 偏差，yFS为满量程输出值，此处为输入200g砝码时对应的输出电压值。(2) 写出前级测量放大器(即仪表放大器)的输出电压表达式Vol,以及后级放大器的输 出电压表达式Vo2。五、思考题：半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：(1)对边(2)邻边。实验三 应

14、变片全桥性能实验一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图31 所示。 应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥 邻边。当应变片初始阻值：R1=R2 = R3 = R4，其变化值厶R1=A R2=A R3=A R4时，其桥路 输出电压UoSR/R）E = K E。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。图31 应变片全桥性能实验框图三、需用器件和单元：主机箱中的土2V10V （步进可调）直流稳压电源、15V直流 稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。四、实验步骤：1、关闭主机箱电源，按照四臂电桥接线。检查接线无误后合上主机箱电源开关，在传感器 的托盘上依次放置20g砝码（尽量靠近托盘的中心点放置），共需放置10个砝码，并读取相应 的数显表电压值，记下实验数据填入表3中。表3 全桥性能实验数据重量g020406080100120140160180200电压mv2、实验报告要求：根据表3数据作出曲线，并计算系统灵敏度S=a V/a W（ V输出电压变化量， W重 量变化量）和非线性误差5，6 = m/yFS X100%，此式中厶m为输出值与拟合直线的最大 偏差，yFS为满量程输出值，此处为输