试验三十六金属箔式应变试验.docx

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试验三十六金属箔式应变试验

实验三十六金属箔式应变实验

练习一金属箔式应变片——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、基本原理：

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：

（1）

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长

，横截面积相应减小

，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变

，故引起电阻值变化

。

对式

（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

（2）

式中的

为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位

（1

=1×

）。

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

=2（

），则

（2）式可以写成：

（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。

称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，

受两个因素影响，一个是（1+

），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

，对半导体，

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

=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ε，而根据应力应变关系

（4）

式中σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。

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。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表（自备）。

四、实验内容与步骤：

1、应变片的安装位置如图

（1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

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，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，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电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。

（注意：

当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。

）

3、按图2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模块内已接好，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）如图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。

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1，关闭电源。

表1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

5、根据表1计算系统灵敏度

（

输出电压的变化量，

重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中

（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、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。

七、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。

练习二金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的：

1、了解半桥的工作原理。

2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、基本原理：

把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。

当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EGε／2。

式中E为电桥供电电压。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤：

1、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，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电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。

2、根据图1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±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表1，计算灵敏度

，非线性误差

。

若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。

则应更换应变片。

表1半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mV）

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、思考题：

1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。

2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。

七、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、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。

练习三金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的：

了解全桥测量电路的原理及优点。

二、基本原理：

全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，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明显改善。

三、需用器件和单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤：

1、根据1接线，实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表1；进行灵敏度和非线性误差计算。

表1全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mV）

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。

六、思考题：

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）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。

2、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。

七、实验报告要求：

1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。

练习四直流全桥的应用——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：

电子秤实验原理为实验三，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：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤：

1、按练习一中2的步骤，将差动放大器调零，按图1全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示0.000V（2V档）。

2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V或—0.200V。

3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为0.000V。

4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。

5、把砝码依次放在托盘上，填入下表1。

表1电桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

1、根据上表，计算误差与非线性误差。

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。

六、实验报告要求：

1、记录实验数据，绘制传感器的特性曲线。

2、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。

附录1实验箱温度控制简要原理

当总电源开关合上，并且温度控制器的开关也闭合时，如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值，那么温度控制器面板上ALM2灯亮（ALM2为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开触点串联的），内部继电器闭合，温度模块开始加热，加热电源为1A恒流源，当温度加热到略高与设定温度值时，ALM2灯灭，内部继电器断开，温度模块停止加热，但由于温度的惯性比较大，因此当温度模块停止加热后，仍有一定的向上的冲量。

附录2温度控制器使用说明

1、仪表通电显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗输入代码，后显示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型显示PV窗Jd—0—5、SV窗2003），随后即进入工作状态，其中PV显示的为测量的温度值，SV显示的为设定的温度值，当SV的值大于PV的值时ALM2灯亮，恒流源有输出，当PV的值大于SV的值时，ALM1灯亮，恒流源无输出，按SET键0.5秒SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5秒确认，如需要修改其他参数，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜单，可按要求逐一修改内容（见操作流程表），修改完毕再按SET键0.5秒若干下，退出菜单，如15秒内无键按下（该窗内新设置的数据无效）自动进入新的工作状态。

2、当输入信号大于量程上限时，仪表显示―――，当输入信号小于超出量程下限10%以上时，仪表仍显示―――，并切断主控输出；当输入信号略小于量程下限时，仪表显示―――。

3、当温度控制效果不够理想时，可以通过人工后自整定来改变PID参数。

操作方法如下：

①人工修正：

将仪表进入B菜单至P窗，再用温度控制器下面的三个箭号键来修正P值，再按SET0.5S进入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。

②自整定修正：

先把主控设定再实际使用值后实用值的80%左右，再将仪表进入B菜单至ATU窗后选择

（1）选号按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，带自整定完成AT灯灭仪表即按新的自整定PID参数工作。

用自整定修正PID值时应该注意当负载为多段串联加热方式（如挤出机械），其中某段进入自整定过程时，应尽量保持相邻前后二段的温度不变，否则会影响自整定效果。

4、PID参数的设置原则：

P—比例带设定，一般取上过冲值的2倍，当温度有规律波动（系统振荡）应增加比例带，当温度无规律漂动时，应减少比例带。

I—积分时间设定，当温度有规律波动时，应增加积分时间，当温度很长时间不能消除静差时应减少积分时间。

D—微分时间设定，一般取积分时间的1/5—1/4，微分时间的增加有助于减少系统的超调。

5、PID控制与位式控制功能的切换方法：

若需把仪表切换成位式控制（常规仪表出厂设置为PID控制），正常工作状态仪表按住SET键3S以上进入B菜单后，再按SET键0.5S若干下至P窗，把P设为0后按SET键若干下至T窗，把T设为1即进入位式控制，其控温范围（切换差）可通过该变dp值来实现，位式控制时的dp值举例：

SV=

时，设dp=

，则实际输出控制范围为87.5～

。

若需返回至PID控制时，把P、T、dp值还原即可。

PID控制适用于高精度控温场合，系统配置稳定合理可达到±1个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。

6、限制功能，如仪表为连续电流或电压控制及输出时为限幅；如仪表时断续通断式输出时为限制输出通断时间比例关系，也就是周期（T）内最长导通时间的百分比。

7、失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。

按键不起作用，请检查LCK键是否被锁定。

8、各参数功能：

面板功能：

SET：

功能键；PV：

当前测量值；SV：

主控设定值；OUT：

主控输出指示

ALM1：

ALM1报警输出指示；ALM2：

ALM2报警输出指示；AT：

自整定指示

向左箭号：

移位键；向下箭号：

减键；向上箭号：

加键

参数

常规

设定范围

AH

随机

±全量程

AL

随机

±全量程

ATU

0

0自整定关

1自整定开

dp

0.1

0.1～125

P

40（位式0）

0～125

I

200

1～3600S

d．

50

1～1200S

T

20（位式1）

1～60S

SC

0

±20.0

dT

0/1

0～3

UP

100%

30～100%

HC

1

1正向（加热）

0反向（制冷）

LCK

0

0

不锁

2

全锁

其他

锁B菜单

附录：

THQC-1型典型传感元件使用说明书

一组成和使用

1、实验箱的供电

实验箱的后方设有带保险丝管（2A）的220V单相电源插座，另配有三芯插头电源线一根。

箱内设有两个变压器，为实验板提供多组低压交流电源。

2、一块大型（430mm×320mm）单面敷铜印刷线路板，上面可放置各种传感器模块，配有各种电源、仪表及其他元器件。

3、实验箱配有以下几个模块：

霍尔传感器实验模块，差动变压器实验模块，电容式传感器实验模块，温度传感器实验模块，应变式传感器实验模块，光电模块，其中温度传感器实验模块包括Pt100温度传感器，AD590集成温度传感器，NTC、PTC热敏电阻。

光电模块包括光敏电阻和光电二极管两种传感元件。

4、直流稳压电源

提供±15V/0.3A，±5V/0.3A四路直流稳压电压。

5、音频信号发生器：

频率范围：

1K—10K，正相和反相同时输出，输出幅度7V。

6、频率计：

1Hz～10KHz。

7、温度控制器：

测量范围：

8、两组恒流源：

0～20mA：

光电模块中发光二极管的电源，1A：

温度模块中加热器的电源。

9、本实验箱还提供有足够的长短不一的实验专用连接导线一套。

二实验内容

本实验提供的实验项目如下：

（1）金属箔式应变片――单臂电桥性能实验

（2）金属箔式应变片――半桥性能实验

（3）金属箔式应变片――全桥性能实验

（4）金属箔式应变片――电子秤实验

（5）差动变压器的性能测定

（6）激励频率对差动变压器特性的影响

（7）差动变压器零点残余电压测定

（8）电容式传感器的位移特性

（9）霍尔式传感器的位移特性――直流激励

（10）集成温度传感器的特性

（11）Pt100热电阻测温实验

（12）热敏电阻的特性研究

（13）光电二极管和光敏电阻的特性研究

三使用注意事项

1．使用前应检查各电源是否正常，检查步骤为：

（1）先关闭实验箱的所有电源开关，然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的220V交流电源。

（2）开启实验箱上的电源总开关，指示灯亮。

（3）用万用表的直流电压档测量面板上的±15V、±5V，是否正常。

2．接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。

3．实验接线前必须先断开总电源及各路分电源开关，严禁带电接线。

接线完毕，检查无误后，才可进行实验。

4.在做霍尔传感器实验、差动变压器实验、电传感器实验的时候，注意三根连接导线不要插错，在连接线的黑色插头端贴有各种传感器的标签。

注意与所做的实验相对应。

4．实验自始至终，实验板上要保持清洁，不可随意放置杂物，特别是导电工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。

5．实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板，整理好连接导线并放置到规定的位置。

6．实验时需用到外部交流供电的仪器，如示波器等，这些仪器的外壳应妥善接地。

7．由于各种传感器为有机玻璃封装，极易破碎，所以应该轻拿轻放，决不可以掉到地上，否则将损坏传感器。