检测技术实验2 金属箔式应变片 单臂、半桥、全桥性能实验

上海电力学院

检测技术实验

金属箔式应变片——单臂、半桥、全桥性能实验

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。比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、基本原理

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：

ΔR/R=Kε

式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。全桥测量电路中其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 三、需用器件与单元

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。 四、实验步骤

1、根据图(1-1)应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图1-1 应变式传感安装示意图

2、接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数

显表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。

3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。

图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、在电子称上放置一只砝码，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500g(或200g)砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。

5、根据图1-3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。重复步骤4。

6、根据图1-4接线。R1、R2为实验模板左上方应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。重复步骤4。

7、根据表1-1计算单臂系统灵敏度S，S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)计算线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差：yF·S满量程输出平均值，此处为500g或200g。计算半桥、全桥系统灵敏度、非线性误差。

图1-3 应变片传感器半桥实验接线图

表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

五、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)应变片(3)正、负应变片均可以。

2、半桥侧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。

3、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。

4、全桥测量中，当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1≠R2时，是否可以组成全桥：(1)可以(2)不可以。

5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图1-4 应变片传感器受拉时传感器圆盘面展开图

答：将这两组应变片按照两个不同方向贴在棒材上，利用两组不同的测量值即可组成一个全路电桥，不需要外加电阻。 六、实验结果分析与处理

1、记录数显表数值于数据记录纸上。

2、由所得数据，绘出半桥的传感器特性曲线如下：

图1-5 单臂传感器特性曲线

图1-6 半桥传感器特性曲线

图1-7 全桥传感器特性曲线

3、对拟合结果进行分析： （1）单臂

计算系统灵敏度：

ΔV=（36-3）/9=3.67mV ΔW=20g

S=ΔV/ΔW=0.13mV/g 计算非线性误差：

Δ（V-Vfit）m =0.45mV Vfs=36mV

δf =Δ（V-Vfit）m / Vfs×100%=1.25% （2）半桥

计算系统灵敏度：

ΔV=（73-7）/9=7.33mV ΔW=20g

S=ΔV/ΔW=0.36mV/g 计算非线性误差：

Δ（V-Vfit）m =0.64mV Vfs

=73mV

δf =Δ（V-Vfit）m / Vfs×100%=0.88%

（3）全桥

计算系统灵敏度：

ΔV=（137-12）/9=13.89mV ΔW=20g

S=ΔV/ΔW=0.69mV/g 计算非线性误差：

Δ（V-Vfit）m =1.13mV Vfs=137mV

δf =Δ（V-Vfit）m / Vfs×100%=0.83%

由数据分析可知，全桥传感器特性曲线的线性特性最好，电桥输出灵敏度最高。原因是在全桥测量电路中，应变片初始阻值是R1=R2=R3=R4，当其变化值 R1= R2= R3= R4时，桥路输出电压UO2=KE ，比半桥灵敏度又提高一倍，非线性误差进一步得到改善。

注：以单臂数据为例，在MATLAB中实现线性拟合的程序，

clear

x=[0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200]; y=[0,3,7,10,14,17,21,25,28,32,36]; p=polyfit(x,y,1); 一次拟合; yfit=polyval(p,x); 求拟合后的y值; plot(x,y,'r*',x,yfit,'b-'); 作拟合图像; xlabel('W/g') ylabel('V/mV') grid on

在计算非线性误差过程中，需要求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差，这也可通过编程实现，

x=[0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200]; y=[0,3,7,10,14,17,21,25,28,32,36]; p=polyfit(x,y,1); yfit=polyval(p,x); plot(x,y-yfit,'b-'); xlabel('W/g') ylabel('V/mV') grid on

求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差;

可求实际输出值与拟合直线输出值的最大偏差为0.45mV。

直流全桥的应用——电子秤实验

一、实验目的

了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理

电子秤实验原理与实验三相同，利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。 三、需用器件和单元

传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤

1．按实验一中的步骤2，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，打开直流稳压电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使直流电压表显示为零。

2．将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节 …… 此处隐藏：2869字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……