金属箔式应变片传感器性能研究-实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称： 普通物理实验（3） 实验名称： 金属箔式应变片传感器性能研究 学院： 专业班级： 学生姓名： 学号： 实验地点： 座位号： 实验时间： 一、 实验目的：1.了解金属箔式应变片的应变效应，掌握单臂电桥工作原理和性能。2.比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。3.了解全桥测量电路的优点及其在工程测试中的实际应用。二、 实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15V和4V电源三、 实验原理：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：R/R=K，式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化。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组件，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化。1、单臂电桥实验如图1-1所示，R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥。其输出电压 E为电桥电源电压，R为固定电阻值，上式表明单臂电桥输出为非线性，存在着非线性误差2、半桥差动电路如图1-2，不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边。图1-2电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 U0=EK2=E2RRE为电桥电源电压，上式表明，差动半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。3、全桥测量电路如图1-3，受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：E为电桥电源电压，上式表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍。四、 实验内容：1、单桥性能测试（1）变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用多用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350. （2）从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端U02接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw4，使电压表显示为0V，Rw4的位置确定后不能改动。关闭主控台电源。（3）将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5,R6,R7构成一个单臂直流电桥，见图31-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源4V，电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1，使电压表显示为零（不为零亦可）。 （4）在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码并读取相应的数显表值，表格自拟。2、半桥性能测试差动放大器调零后，按图31-3接线。调节Rw1，使电压表显示为零。在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示10mV左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，表格自拟。3、全桥性能测试差动放大器调零后，按图31-4接线，在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示0.020V左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，直到200g砝码加完。五、 实验数据及数据分析处理：表一：单桥性能测试m/g20406080100120140160180200U/mV2.06.110.514.818.122.426.531.236.540.9拟合U/mV1.655.9310.2114.4818.7623.0427.3231.5935.8740.15U/mV0.350.170.290.320.660.640.820.390.630.75计算灵敏度S=UW=0.2139V/kg计算非线性误差f1=myfs100%=0.41%表二：半桥性能测试m/g20406080100120140160180200U/mV10.018.427.236.144.753.462.270.979.788.3拟合U/mV9.8418.5627.2836.0144.7353.4562.1770.9079.6288.34U/mV0.160.160.080.090.030.050.030.000.800.43计算系统灵敏度L=UW=0.43615V/kg计算非线性误差f1=myfs100%=0.215%表三：全桥性能测试m/g20406080100120140160180200U/mV21.442.863.784.0104.5125.1146.2166.3187.7207.8拟合U/mV21.8942.5763.2583.93104.6125.3146.0166.7187.3208.0U/mV0.490.230.470.070.110.190.230.350.370.21计算灵敏度L=UW=1.034V/kg计算非线性误差f1=myfs100%=0.235%六、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）（3）正、负应变片均可以？答：正、负应变片均可以。当采用负应变片时，得到的电压是负值。2、半桥测量时两个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。答：邻边。3、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。答：不可以。4、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。答：电桥测量原理上存在非线性。