电阻应变片传感器灵敏度的测量(1).doc

电阻应变片传感器灵敏度的测量1了解电阻应变片传感器的转换原理；2掌握电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；3利用电阻应变片直流电桥测量传感器的电压输出灵敏度电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；讲授、讨论、实验演示相结合。3个学时一、前言在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现电测非电量目的的，它们统称为电阻式传感器由于各种电阻材料受被测量(如位移、应变、压力、温度、加速度等)作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器的种类多且应用范围广其中常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器二、实验仪器直流稳压电源±4V，金属箔式电阻应变片（两片、两片）、直流平衡电位器WD，平行式单臂悬臂梁、砝码、差动放大器直流电源开关、差动放大器和数字电压表三、实验原理 1、应变片的转换原理电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路成被测力学量作用在一定形状的弹性元件上（如悬臂梁等）使之产生变形这时，粘贴在其上的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为自身电阻值的变化，再由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出工程中使用最多的电阻应变敏感元件是金属箔或半导体电阻应变片考查一段圆截面的导体（金属丝），图1，设其长为L，截面积为A（直径为D），原始电阻为RR = L/A （1）式中，为金属丝的电阻率当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）产生形变，其电阻值会随之变化通过对（1）式两边取对数后再取全微分得：dR/R=dL/L-dA/A+d/ (2)式中dR/R =为材料轴向线应变，且dA/ A=2 dD/ D根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，dD /D=-µdL/ L （3）式中µ为导体材料的泊松比因此，有dR/ R =(1+ 2) dL/ L+ d/ (4)实验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为d/=c dV/ V （5）式中，c为常数（由一定的材料和加工方式决定），dV / V= dL/ L+dA/ A=(1- 2µ ) . 将式（5）代入（4），且当R<<R时，可得D R/ R =( 1+2)+ c( 1-2)=K （6）式中，K = (1+ 2) + c(1- 2)为金属丝材料的应变灵敏系数上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比这就是金属材料的应变电阻效应2电桥的工作原理和特性（1）电桥的工作原理图2 是一个直流电桥A、C端接直流电源，称供桥端，Uo称供桥电压；B、D 端接测量仪器，称输出端UBD=UBC+UCD=UOR3/(R3+R4)-R2/(R1+R2) （7）由式（7）可知，当电桥输出电压为零时电桥处于平衡状态为保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡）（2）电桥的加减特性电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化(电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出当供桥电压一定且Ri<<Ri时，d U=(¶ U/¶R1) d R1+(¶ U/¶R2) dR2+(¶ U/¶R3) dR3+(¶ U/¶R4) dR4 (8)其中U =U BD 对于全等臂电桥，R1=R2=R3=R4=R，各桥臂应变片灵敏系数相同，上式可简化为d U=0.25UO(d R1 / R1- d R2 / R2+ d R3 / R3- d R4 / R4) （9）当Ri<<R 时，此时可用电压输出增量式表示D U=0.25 UO (D R1 / R1- D R2 / R2+ D R3 / R3- D R4 / R4) （10）式（10）为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：（a）当只有一个桥臂接应变片时（称为单臂电桥），桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R 变为R+R，其余各臂为固定电阻R（R2=R3=R4=0），则式（10）变为D U=0.25 UO (D R / R)= 0.25 UOK （11）（b）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥），（见图3）即桥臂R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增量R1、R2，而R3和R4臂为固定电阻R（DR3=DR4=0）当两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时，则有R1=R2=R，由式（10）可得U=0当一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有R1=R，R2=R，由式（10）可得D U=2 0.25 UO (D R / R) =2 0.25 UO K (12)（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，R1=R3=R，R2=R4=R，则式（10）变为D U=4 0.25 UO (D R / R) =4 0.25 UO K (13)此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍（3）电桥的灵敏度电桥的灵敏度Su是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小Su=D U/(D R/ R)= 0.25 UO (D R1 / R1- D R2 / R2+ D R3 / R3- D R4 / R4)/ (D R/ R) (14)令 n=(D R1 / R1- D R2 / R2+ D R3 / R3- D R4 / R4)/ (D R/ R) (15)则Su=0.25n UO (16)式中，n 为电桥的工作臂系数由上式可知，电桥的工作臂系数愈大，则电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加n 及测量灵敏度四、实验内容与步骤 1金属箔电阻应变片传感器单臂电桥灵敏度测量（1）熟悉各部件配置、功能、使用方法、操作注意事项和附录等；（2）开启仪器及放大器电源，放大器输出调零（输入端对地短路，输出端接电压表，增益旋钮顺时针方向轻旋到底，旋转调零旋钮使输出为零）；（3）调零后电位器位置不要变化，并关闭仪器电源；（4）按图5 将实验部件用实验线连接成测试单臂桥路桥路中R2，R3，R4为电桥中固定电阻，WD为直流平衡调节电位器，R1为工作臂应变片（受力符号），直流激励电源为±4V （5）确认接线无误后开启仪器及放大器电源，同时预热数分钟调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零；（6）在载物平台上加标准砝码，每加一个记录一个放大器输出电压值，并列表：质量m（g）电压（v）（7）利用最小二乘法计算单臂电桥电压输出灵敏度S，S = V/m，并做出Vm 关系曲线（8）改变应变桥，接成半桥、全桥，照（4）、（5）、（6）和（7）的方法分别测量；（9）比较三种应变桥的灵敏度，并做出定性的结论五、数据表格及数据处理1数据表格(1)单臂电桥质量m（g）电压（v）(2)半桥质量m（g）电压（v）(2)全桥质量m（g）电压（v） 2利用最小二乘法计算单臂电桥、半桥和全桥的电压输出灵敏度S，S = V/m，并做出Vm 关系六、注意事项 1实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰2接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切记用力拉扯接插线尾部，以免造成内部导线断裂3稳压电源不能对地短路4应变片接入电桥时注意其受力方向要接成差动形式5直流激励电压不能过大，以免造成应变片自然损坏七、教学后记1、本实验关键是实验原理的理解和实验电路图的连接。如果能较快的连接好电路，本实验就可以较快的完成。2、本实验是选做实验，不需要写实验报告，需要的是个人的动手操作能力。