应变片电桥docx.docx

1、应变片电桥docx应变片单臂电桥性能实验一、 实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。二、 基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件卜通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。-种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感 器主要是通过一定的机械装置将被测帚:转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元 件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电乐或电流变化信号输 出。它可用于能转化成变形的齐种菲电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、觅量等, 在机械加工、计最、建筑测呈等行业应用十分广泛。1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变

2、效应是指只有规则外形的金屈导依或半导体材料在外力作用下产生应变 而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例: 设其长为：L、半径为!、材料的电阻率为P时，根据电阻的定义式得当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截而积A和电阻率P的变化为dL、dA、dp相应的电阻变化为dR。对式(1-1)全微分得电阻变化率dR/R为：式中：dL/L为导体的轴向应变吊dr/r为导体的横向应变最&由材料力学得： l= - per (13)式中：U为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.30.5左右：负号表示两者的变 化方向相反。将式(13)代入式(12)得：禮=(1 + 2

3、“)E + 空R Q (14)式（1-4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化最。（1）、金属导体的应变灵敏度K：主要収决于其几何效应：町取2（1+2戸）Et(15)其灵敏度系数为：K= = （1 + 2/）金旭导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增人，压缩时电阻减小，且与其 轴向应变成止比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。（2）、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/Rdf/p。半导体材料之所以 貝有较人的电阻变化率，是因为它有远比金属3体显舌得多的

4、压阻效应。在半导体受力变形 时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化, 这种物理现象称之为半导体的压阻效应。不同材质的半导体材料在不同受力条件卜产生的 压阻效应不同，可以是正（使电阻増大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同 样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其於敏度系数较人，一般在100到200 左右。3、 贴片式应变片应用在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定 性、线性度不好而J1易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的

5、弹性元 件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压 阻效应）传感器。*本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、 箔式应变片的基本结构金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0. 025mm左右图1一1应变片结构图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，与丝式应变片工作原 理相同。电阻丝在外力作用卜发生机械变形时，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：AR/R=K 式中：AR/R为电阴丝电阻相对变化，K为 应变灵敏系数，e=AL/L为电阻丝长度相对变化。5、测量电路为了将电阻应变式传感器

6、的电阻变化转换成电圧或电流信号，在应用中一般采用电桥电 路作为其测量电路。电桥电路貝有结构简单、灵敏度高、测量范悯宽、线性度好且易实现温 度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号址小、线性、稳定性 较差：双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍, 性能最好。因此，为了得到较人的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图12 (a), (b)% (c)所不。(aK单臂Uo=u&u =(R1 + AR1) / (R1 + AR1+R5)-R7/ (R7+R6

7、) E=(R7+R6)(R1 + AR1)-R?(R5+R1 + AR1) / (R5+R1 + AR1)(R：+R6) E设 R1=R5=R6=R7,且厶 R1/R1= AR/R R2=R4,而RIHR2时，是否可以组成全桥：(1) H以(2)不町以。水实验四应变片单臂、半桥.全桥性能比较1.实验目的：比较单臂、半桥.全桥输出时的杲敏度和非线性度，得出相应的结论。2.基本原理：如图4 (a)、(b). (c)图4 应变电桥(a)x Uo=U一U=(R1 + AR1) / (R1+AR1+R2) -R4 / (R3+R4) ) E=(1 + AR1/R1) / (1 + AR1/R1+R2/R

8、2) 一 (R4/R3) / (1+R1/R3) E设 R1=R2=R3=R4且厶 R1/R1VV1。Uo(l /4)(AR1/RDE所以电桥的电压灵敏度:S=Uo / (ARl/Rl)kE= (1 / 4)E(b)、同理:Uo(l/2)(AR1/RDES=(1/2)E(C)、同理:(ARI /R1)ES=E三、 需用器件与单元：主机箱中的土2V10V (步进可调)直流稳压电源、15V1I流 稳斥电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、舷码。四、 实验步骤：根据实验-、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度, 从理论上进行分析比较。经实验验证阐述理由(注意：实验一、二、三中的放

9、大器增益必须 相同)。实验完毕，关闭电源。实验五应变片直流全桥的应用一电子秤实验一、 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：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤 实验原理如图51。本实验只做放人器输出V。实验，通过对电路的标定使电路输出的电压 值为巫量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。图5-1数字电子称原理框图三、 需用器件与单元：主机箱中的2V10V （步进町调）直流稳乐电源、15V直流 稳压电源、电压表：应变式传感器实验模板、托盘、磁码。四、 实验步骤：1、 按实验一中的1和3步骤实验。2、 关闭主机箱电源，按

10、图32 （应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，将2V10V诃调电源调节到4V档。检查接线无谋石合上主机箱电源开关，调节实验模板 上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；3、 将10只祛码全部置于传感器的托盘上，调节电位器R3 （增益即满量程调节）使数 显表显示为0. 200VC2V档测最）。4、 拿去托盘上的所白磁码，考虑到弹性元件的弹性变形回复时间，需要等待数分钟， 再调节电位器RV1 （零位调节）使数显表显示为0.000V。5、 重复3、4步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压最纲V改为更呈纲g,将琏码 依次放在托盘上称重：放上笔、钥匙之类的小东西称一卜重量。实验完毕，关闭电

11、源。实验六应变片的温度影响实验一、 实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。二、 基本原理：电阻应变片的温度影响，主要來自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变 栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度 变化时，在被测体受力状态不变时，输出会令变化。三、 需用器件与单元：主机箱中2V土 10V （步进可调）直流稳压电源、15VI1流稳 圧电源、电压表；应变传感器实验模板、托盘、磁码、加热器（在实验模板上，已粘贴在应 变传感器左下角底部）。四、 实验步骤：1、 按照实验三实验。2、 将200g St码放在托盘上，在数显表上读取记录电压值Uol。3、 将主机箱中直流稳压电源+5V、丄接于实验模板的加热器+5V、丄插孔上，数分钟后 待数显表电压显示基本稳定后，记卜读数Uot ,UofJol即为温度变化的影响。计算这一温 度变化产生的相对误差：实骏完毕，关闭电源。