实验二 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、 实验原理
应变片的安装位置如图2-2所示,应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1 型传感器实验箱”上,从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量,R1=R2=R3=R4=350Ω。
图2-2 应变式传感器安装示意图
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:
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R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,则有:
RlS (2) RlS
式中的6为电阻丝的轴向应变,用表示,常用单位(1=1×10)。若径向应变为,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(),则(2)式可以写成: Rlll (3) 12)(12k0Rlllll
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,则k012,对半导体,k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明,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表面上。在外力作用下,被测对象表面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。通过调理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 ζ——测试的应力;
E——材料弹性模量。
可以测得应力值ζ。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。
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,通过它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,电桥的输出电压反映了相应的受力状态,对单臂电桥输出电压 U= EKε/4,式中E为电桥供电电压,K为应变灵敏系数。 应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。
图2-1应变式传感器信号调理实验电路图
三、实验设备
THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表(自备)、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。
四、实验内容与步骤
1. 将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上,在确保上述模块插放无误后,从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源(电源的大小及正负极性不能接错)
2. 检查无误后,合上主控台电源开关,进行差动放大器调零,方法为:将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接,调节实验模板上调零电位器Rw2,使Uo端输出电压为零,(万用表2V档测量)。关闭主控台电源。(注意:当Rw2的位置一旦确定,就不能改变。)
3. 按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥,(R5、R6、R7在模块内已接好),接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源±5V,如图2-3所示。检查接线无误后,合上主控箱电源开关,调节Rw1,使数显表显示约为零(万用表2V档测量)。
4. 在砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值,直到200g砝码加完,记下实验结果填入表2-1,关闭电源。
表2-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值
图2-3 应变式传感器单臂电桥实验接线图
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(多次测量时为平均值)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。
五、实验注意事项
1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2. 电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V,否则可能烧毁应变片。
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。
实验二 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、 实验原理
应变片的安装位置如图2-2所示,应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1 型传感器实验箱”上,从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量,R1=R2=R3=R4=350Ω。
图2-2 应变式传感器安装示意图
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:
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R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,则有:
RlS (2) RlS
式中的6为电阻丝的轴向应变,用表示,常用单位(1=1×10)。若径向应变为,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(),则(2)式可以写成: Rlll (3) 12)(12k0Rlllll
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,则k012,对半导体,k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明,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表面上。在外力作用下,被测对象表面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。通过调理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 ζ——测试的应力;
E——材料弹性模量。
可以测得应力值ζ。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。
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,通过它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,电桥的输出电压反映了相应的受力状态,对单臂电桥输出电压 U= EKε/4,式中E为电桥供电电压,K为应变灵敏系数。 应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。
图2-1应变式传感器信号调理实验电路图
三、实验设备
THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表(自备)、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。
四、实验内容与步骤
1. 将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上,在确保上述模块插放无误后,从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源(电源的大小及正负极性不能接错)
2. 检查无误后,合上主控台电源开关,进行差动放大器调零,方法为:将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接,调节实验模板上调零电位器Rw2,使Uo端输出电压为零,(万用表2V档测量)。关闭主控台电源。(注意:当Rw2的位置一旦确定,就不能改变。)
3. 按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥,(R5、R6、R7在模块内已接好),接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源±5V,如图2-3所示。检查接线无误后,合上主控箱电源开关,调节Rw1,使数显表显示约为零(万用表2V档测量)。
4. 在砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值,直到200g砝码加完,记下实验结果填入表2-1,关闭电源。
表2-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值
图2-3 应变式传感器单臂电桥实验接线图
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(多次测量时为平均值)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。
五、实验注意事项
1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2. 电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V,否则可能烧毁应变片。
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。