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1、压力传感器和弹性模量毕科第1页，共19页，编辑于2022年，星期五 压力传感器主要由弹性元件和力电转换元件等组压力传感器主要由弹性元件和力电转换元件等组成。弹性元件把压力转换成了应变，然后再由压敏元成。弹性元件把压力转换成了应变，然后再由压敏元件将应变转换成电信号。件将应变转换成电信号。电阻应变片是一种能将物体电阻应变片是一种能将物体上的应变变化转换成电阻变化的上的应变变化转换成电阻变化的力电转换敏感元件。受外力作用力电转换敏感元件。受外力作用的电阻应变片的电阻值将发生变的电阻应变片的电阻值将发生变化，拉长时电阻增大，压缩时电化，拉长时电阻增大，压缩时电阻减小。阻减小。将电阻应变片粘贴在传感器
2、中的弹性元件表面，将电阻应变片粘贴在传感器中的弹性元件表面，当弹性元件受力作用产生应变时，电阻应变片便会随之产生应变，当弹性元件受力作用产生应变时，电阻应变片便会随之产生应变，并产生电阻的变化。并产生电阻的变化。压力传感器压力传感器电阻应变片的结构电阻应变片的结构第2页，共19页，编辑于2022年，星期五 在压力传感器中，一般是将四个电阻应变片成对地横向或在压力传感器中，一般是将四个电阻应变片成对地横向或纵向粘贴在弹性元件的表面，使应变片分别感受到元件的压缩纵向粘贴在弹性元件的表面，使应变片分别感受到元件的压缩和拉伸变形，并将四个应变片接成电桥电路，从电桥的输出中和拉伸变形，并将四个应变片接成
3、电桥电路，从电桥的输出中就可以得到应变量的大小，从而得知作用于弹性元件上的力。就可以得到应变量的大小，从而得知作用于弹性元件上的力。R1=R2=R3=R4R非平衡电桥示意图及其等效电路非平衡电桥示意图及其等效电路第3页，共19页，编辑于2022年，星期五电阻的变化与电压的关系电阻的变化与电压的关系若若R1=R2=R3=R4R，则有，则有注意：注意：本实验要求本实验要求选择选择E=5V和和E=10V两种电压两种电压条件条件下，测量压力传感器的灵敏度特性曲线。下，测量压力传感器的灵敏度特性曲线。当受应变时：若应变片电阻变化为当受应变时：若应变片电阻变化为R，则电桥失去平衡，则电桥失去平衡，其电桥输
4、出电压其电桥输出电压Uo0，大小为，大小为第4页，共19页，编辑于2022年，星期五 传传感感器器在在静静态态工工作作条条件件下下单单位位压压力力所所产产生生的的输输出出电电压压，称称为为静态静态灵敏度灵敏度。灵敏度越高，其分辨率也高灵敏度越高，其分辨率也高。如下公式表示：。如下公式表示：这这实实际际上上就就是是传传感感器器输输入入输输出出特特性性曲曲线线上上某某点点的的斜斜率率。非非线线性性传感器各处的灵敏度是不相同的，对于线性传感器灵敏度则为：传感器各处的灵敏度是不相同的，对于线性传感器灵敏度则为：灵敏度灵敏度第5页，共19页，编辑于2022年，星期五1.调整电桥初始平衡状态：调节平衡仪将
5、电桥调平。调整电桥初始平衡状态：调节平衡仪将电桥调平。2.测量传感器的灵敏度：测量加上不同砝码时传感器输测量传感器的灵敏度：测量加上不同砝码时传感器输 出的电压值，利用出的电压值，利用 作图法处理数据以得到电桥的灵敏作图法处理数据以得到电桥的灵敏 度。度。3.电源电动势对传感器灵敏度的影响：改变电源电动势电源电动势对传感器灵敏度的影响：改变电源电动势 测量测量(重复重复2的操作的操作)传感器的灵敏度。传感器的灵敏度。4.用电阻应变片直流电桥压力传感器测量任意物体的重用电阻应变片直流电桥压力传感器测量任意物体的重 量。量。实验内容实验内容实验电路图实验电路图第6页，共19页，编辑于2022年，星
6、期五注意事项注意事项1.接线时，接线头不要碰到载物台；测量时，砝码接线时，接线头不要碰到载物台；测量时，砝码 应轻拿轻放。应轻拿轻放。2.测量过程中，电源电压应保持不变，电源电压若测量过程中，电源电压应保持不变，电源电压若 有波动应及时调整。有波动应及时调整。第7页，共19页，编辑于2022年，星期五液压拉伸法测量弹性模量液压拉伸法测量弹性模量第8页，共19页，编辑于2022年，星期五实验目的实验目的1.了解弹性模量的物理概念，掌握其测量原理了解弹性模量的物理概念，掌握其测量原理 和方法；和方法；2.掌握光杠杆放大法测量微小长度的原理。掌握光杠杆放大法测量微小长度的原理。第9页，共19页，编辑
7、于2022年，星期五1、弹性模量（、弹性模量（Elastic Modulus）定定义义：在弹性限度内，材材料料所所受受应应力力（如拉伸、压缩、弯曲和扭曲等）和和所所产产生生的的相应应应变变成成正正比比例例关关系系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量其比例系数称为弹性模量。特特点点：弹性模量是表征材料性质的一个物理量，仅与材料的结构、化学成分及其加工制造方法有关。测测量量方方法法：拉伸法、梁的弯曲法、振动法、内耗法等等，本实验采用拉伸法测定弹性模量。实验原理实验原理第10页，共19页，编辑于2022年，星期五2、钢丝的弹性模量（、钢丝的弹性模量（杨氏模量杨氏模量）设有长为设有长为L，截面积
8、为，截面积为S的均匀金属丝，在两端以外力的均匀金属丝，在两端以外力F相拉后，伸长相拉后，伸长L。在弹性范围内，单位面积上的垂直作用力在弹性范围内，单位面积上的垂直作用力F/S（正应（正应力）与金属丝的相对伸长力）与金属丝的相对伸长L/L（线应变）成正比，其比例（线应变）成正比，其比例系数就称为弹性模量，用系数就称为弹性模量，用E表示，即表示，即 这里的这里的F，L和和S都易于测量，都易于测量，L属于微小变量，属于微小变量，实验中将采用光杠杆放大法测量。实验中将采用光杠杆放大法测量。第11页，共19页，编辑于2022年，星期五3 3、钢丝弹性模量的测量、钢丝弹性模量的测量测量原理：利用光杠杆放大
9、原理测量钢丝的弹性模量。测量原理：利用光杠杆放大原理测量钢丝的弹性模量。前足尖放置处平台前足尖放置处平台后足尖放置处托后足尖放置处托板板前足尖放置处平前足尖放置处平台台第12页，共19页，编辑于2022年，星期五测量装置示意图测量装置示意图光杠杆放大原理示意图光杠杆放大原理示意图第13页，共19页，编辑于2022年，星期五上式中，各物理量的意义：上式中，各物理量的意义：E弹性模量；F施加的外力；L钢丝的长度；D调节反射镜到标尺的距离；d钢丝的直径（在钢丝上6处测量，然后取其平均值）；b光杠杆后足尖A到两前足尖BC连线的垂直距离。测量公式：测量公式：第14页，共19页，编辑于2022年，星期五数
10、显液压加力弹性模量拉伸仪数显液压加力弹性模量拉伸仪 液压加力装置液压加力装置第15页，共19页，编辑于2022年，星期五实验内容实验内容1.调整杨氏弹性模量仪支架的四个底角螺钉，使支架铅直。调整杨氏弹性模量仪支架的四个底角螺钉，使支架铅直。2.调节光杠杆装置。调节光杠杆装置。（1）粗调粗调：调整两平面镜与望远镜在同一高度。：调整两平面镜与望远镜在同一高度。调调整整两两平平面面镜镜的的倾倾角角及及望望远远镜镜方方位位，使使得得从从望望远远镜镜上上方方看看去去，能能在光杠杆反射镜中看到调节反射镜像中直尺的像。在光杠杆反射镜中看到调节反射镜像中直尺的像。（2）细调细调：能看清望远镜内的十字叉丝及直尺
11、的像并无视差能看清望远镜内的十字叉丝及直尺的像并无视差 3.测量测量 打打开开电电源源，待待显显示示器器出出现现“0.000”后后用用液液压压加加力力盒盒调调节节螺螺旋旋杆杆缓缓慢慢加加力力，数数显显拉拉力力从从10kg开开始始，每每加加1kg记记录录一一次次标标尺尺读读数数，共共测测10或或12组组数数据据；将将液液压压螺螺旋旋调调节节杆杆旋旋至至最最外外，即即数数显显拉拉力力指指示示为为“0.000”附附近近后后，关闭电源；测量：关闭电源；测量：D 调节反射镜到标尺的距离调节反射镜到标尺的距离 L 钢丝原长钢丝原长 b 光杠杆腿长光杠杆腿长 d 钢丝直径（测钢丝直径（测6次）次）第16页，
12、共19页，编辑于2022年，星期五注意事项注意事项n调好光杠杆和镜尺组构成的光路后，在测量过程中不能再动；n应缓慢增加压力，加力停止后拉力会有微小变化，0.5-1分钟内压力变化最缓慢，适宜测量；n测量结束后，必须将压力减小至测量结束后，必须将压力减小至0附近，即液压螺附近，即液压螺旋杆旋至最外方可关闭电源。旋杆旋至最外方可关闭电源。第17页，共19页，编辑于2022年，星期五数据处理要求1.计算钢丝直径计算钢丝直径d及其不确定度及其不确定度u(d)2.利用最小二乘法处理数据，推算出弹性模量的数值利用最小二乘法处理数据，推算出弹性模量的数值 (不要求不确定度的计算不要求不确定度的计算)，并计算出相关系数；，并计算出相关系数；3.利用作图法处理数据，计算出弹性模量的数值；利用作图法处理数据，计算出弹性模量的数值；4.对两种数据处理方法得到的测量结果进行分析比较。对两种数据处理方法得到的测量结果进行分析比较。第18页，共19页，编辑于2022年，星期五谢谢 谢！谢！第19页，共19页，编辑于2022年，星期五