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1、电阻应变式传感器电阻应变式传感器传传 感感 器器 传感器是将电子系统无法处理的外界物理量传感器是将电子系统无法处理的外界物理量转换为电信号的主要器件。对于测量与控制系统转换为电信号的主要器件。对于测量与控制系统来说，传感器是构成对外界物理量加以检测的前来说，传感器是构成对外界物理量加以检测的前端器件；传感器是系统感知外界信息的端器件；传感器是系统感知外界信息的“五官五官”和系统内部工作的和系统内部工作的“神经神经”。传感器是实现信息。传感器是实现信息化的基础技术之一，在当代科学技术领域中占有化的基础技术之一，在当代科学技术领域中占有十分重要的地位。传感器已广泛应用于国防、环十分重要的地位。传感
2、器已广泛应用于国防、环保、工业、农业、交通运输、日常生活等所有领保、工业、农业、交通运输、日常生活等所有领域，并伴随着现代科学技术的进步而不断发展。域，并伴随着现代科学技术的进步而不断发展。一、实验目的一、实验目的1)了解金属箔式应变片的应变效应，电桥了解金属箔式应变片的应变效应，电桥工作原理、基本结构及应用；工作原理、基本结构及应用；2)研究和比较单臂、半桥、全桥的灵敏度研究和比较单臂、半桥、全桥的灵敏度和特性，得出相应结论和特性，得出相应结论。二、实验仪器二、实验仪器 CSY系列传感器系统实验仪，直流稳压系列传感器系统实验仪，直流稳压源，金属箔式应变片，直流调平衡电位器，源，金属箔式应变片
3、，直流调平衡电位器，双平行式悬臂梁，螺旋测微头，差动放大器，双平行式悬臂梁，螺旋测微头，差动放大器，数字电压表。数字电压表。电阻应变片传感器是目前用于测量力、力矩、压电阻应变片传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。它是力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。它是利用应变效应制造的一种测量微小变化量（机械）的利用应变效应制造的一种测量微小变化量（机械）的理想传感器。理想传感器。金属丝在外力（拉力或压力）作用下发生机械形金属丝在外力（拉力或压力）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变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应效应
4、 ，金属的电阻表达式：，金属的电阻表达式：R R=(L/(L/S)，当金属电阻当金属电阻丝受到轴向拉力丝受到轴向拉力F作用时，将伸长作用时，将伸长L，横截面积相应，横截面积相应减小减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，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，故引起电阻值变化R。对上式全微分，并用相对。对上式全微分，并用相对变化量来表示，则有：变化量来表示，则有：三、实验原理三、实验原理 又又可以表示为：可以表示为：R/RK 上式即为电阻应变效应的表达式。式中上式即为电阻应变效应的表达式。式中:R/R 为电阻丝电阻相对变化，为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数为应变灵敏系
5、数,受两受两个因素影响，一个是材料的几何尺寸变化引起的，个因素影响，一个是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是材料的电阻率随应变引起的（称另一个是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效压阻效应应”）。对于金属材料而言，以前者为主，实验也）。对于金属材料而言，以前者为主，实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与表明，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轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数=2左右。左右。=L/L L/L 为电阻丝长度相对变化。为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元
6、件，通过它转换被测部位受力状成的应变敏感元件，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。电桥的输出电压反映了相应的受力状态。本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体，本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体，应变采用双平行梁结构，应变采用双平行梁结构，平行梁上梁的上表面和下梁平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号符号 和和 表示。表示。其中六片为金属箔式片其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度
7、补偿片，用符）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号号 和和 表示。片上标有表示。片上标有“BY”字样的为半导体字样的为半导体式应变片，梁的顶端装有一位移平台，位移平台上方式应变片，梁的顶端装有一位移平台，位移平台上方装有一测微头，旋动测微头，可使位移平台上下位移，装有一测微头，旋动测微头，可使位移平台上下位移，使应变梁弯曲变形，粘贴在梁上的电阻应变片也随之使应变梁弯曲变形，粘贴在梁上的电阻应变片也随之变形，使电阻应变片的电阻值产生变化变形，使电阻应变片的电阻值产生变化,将这些应变将这些应变片组成电桥，就可测得应变片的电阻值产生的变化，片组成电桥，就可测得应变片的电阻值产生的变化，就可测得应变桥
8、路的输出特性，即电桥输出电压就可测得应变桥路的输出特性，即电桥输出电压 V(mv)与位移与位移 X(mm)的函数关系：的函数关系：V=f(x)本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体，本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体，应变采用双平行梁结构，应变采用双平行梁结构，平行梁上梁的上表面和下梁平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号符号 和和 表示。表示。其中六片为金属箔式片其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号号 和和 表示。片上标有表示。片上标
9、有“BY”字样的为半导体字样的为半导体式应变片，梁的顶端装有一位移平台，位移平台上方式应变片，梁的顶端装有一位移平台，位移平台上方装有一测微头，旋动测微头，可使位移平台上下位移，装有一测微头，旋动测微头，可使位移平台上下位移，使应变梁弯曲变形，粘贴在梁上的电阻应变片也随之使应变梁弯曲变形，粘贴在梁上的电阻应变片也随之变形，使电阻应变片的电阻值产生变化变形，使电阻应变片的电阻值产生变化,将这些应变将这些应变片组成电桥，就可测得应变片的电阻值产生的变化，片组成电桥，就可测得应变片的电阻值产生的变化，就可测得应变桥路的输出特性，即电桥输出电压就可测得应变桥路的输出特性，即电桥输出电压 V(mv)与位
10、移与位移 X(mm)的函数关系：的函数关系：V=f(x)本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体，本实验以金属应变梁作为产生应变的弹性体，应变采用双平行梁结构，应变采用双平行梁结构，平行梁上梁的上表面和下梁平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号符号 和和 表示。表示。其中六片为金属箔式片其中六片为金属箔式片（BHF-350）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符）。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号号 和和 表示。片上标有表示。片上标有“BY”字样的为半导体字样的为半导体式应变片，梁的顶端装有一位移平台，位移平台上方式
11、应变片，梁的顶端装有一位移平台，位移平台上方装有一测微头，旋动测微头，可使位移平台上下位移，装有一测微头，旋动测微头，可使位移平台上下位移，使应变梁弯曲变形，粘贴在梁上的电阻应变片也随之使应变梁弯曲变形，粘贴在梁上的电阻应变片也随之变形，使电阻应变片的电阻值产生变化变形，使电阻应变片的电阻值产生变化,将这些应变将这些应变片组成电桥，就可测得应变片的电阻值产生的变化，片组成电桥，就可测得应变片的电阻值产生的变化，就可测得应变桥路的输出特性，即电桥输出电压就可测得应变桥路的输出特性，即电桥输出电压 V(mv)与位移与位移 X(mm)的函数关系：的函数关系：V=f(x)测量电路测量电路 应变应变片片
12、测测量量应变应变是通是通过过敏感敏感栅栅的的电电阻相阻相对变对变化而得到的。化而得到的。由于机械应变一般都很小由于机械应变一般都很小,通常金属通常金属电电阻阻应变应变片灵敏度系数片灵敏度系数K也很小，也很小，电电阻的相阻的相对变对变化也很小的。化也很小的。用一般测量电阻用一般测量电阻的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路的仪表很难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化。同时，要把电来测量这种微弱的电阻变化。同时，要把电阻相对的变化阻相对的变化R/R 转换为电压或电流的变转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，最常化，因此，需要设计专用的测量电路，最常用的电路为电桥电
13、路。用的电路为电桥电路。直流电桥的电压输出直流电桥的电压输出 当电桥输出端接有放大当电桥输出端接有放大器时器时,由于放大器的输入阻由于放大器的输入阻抗很高抗很高,所以所以,可以认为电可以认为电桥的负载电阻为无穷大桥的负载电阻为无穷大,这这时电桥以电压的形式输出。时电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为开路电压，其表达式为 当电桥处于平衡状态，电桥各桥臂电阻满足条当电桥处于平衡状态，电桥各桥臂电阻满足条件件:R1R3=R2R4 ，此时电桥输出电压为零，结果温度的影，此时电桥输出电压为零，结果温度的影响被消除。响被消除。电桥为单臂工作状态，即R1
14、为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1感受应变产生电阻增量 R1时，由于R1R1，电桥输出电压通过对上式微分得:由此可知，当电源电压U和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。43U0 半桥时，半桥时，R1、R2为应变片电阻，若使一个应变为应变片电阻，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上，增量电阻为两个应变片接入电桥的相邻臂上，增量电阻为R1、R2，R3和和R4为固定为固定电阻电阻R，同理可得：，同理可得：可见半桥的输出比单可见半桥的输出比单臂电桥增大一倍，可臂电桥
15、增大一倍，可提高测量灵敏度提高测量灵敏度。R4R3U0全全桥时桥时，R1 1=R2 2=R3 3=R4 4=R，都是，都是应变应变片，片，而且而且R R1 1=R R3 3=R R，R R2 2=R R4 4=-=-R R，此，此时电桥时电桥电压输电压输出出为为：R4-R4R3+R3四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1、灵敏度测量、灵敏度测量 2、三种桥路性能比较、三种桥路性能比较步骤：步骤：1）差动放大器调零：用连线将差）差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（）、负（）、动放大器的正（）、负（）、地短接。将差动放大器的输出端与地短接。将差动放大器的输出端与电压电压/频率表的输入插口频率
16、表的输入插口in 相连，相连，电压电压/频率表放在频率表放在2V档；开启电源；档；开启电源；调节差动放大器的调节差动放大器的“差动增益差动增益”到到最大位置，然后调整差动放大器最大位置，然后调整差动放大器的的“差动调零差动调零”旋钮使电压旋钮使电压/频率表显示为频率表显示为零，关闭电源。零，关闭电源。注意：一旦调零后，调注意：一旦调零后，调零电位器就不要再动。零电位器就不要再动。以弹性梁的水平状态下电路输出电压为零为测量以弹性梁的水平状态下电路输出电压为零为测量起点，转动测微头，使弹性梁向下弯曲。每向下移动起点，转动测微头，使弹性梁向下弯曲。每向下移动mm记录一个差动放大器的输出电压，直到向下
17、移动记录一个差动放大器的输出电压，直到向下移动了了mm。记录数据；。记录数据；将平行式悬臂梁调至水平（目测）。测微头起始点将平行式悬臂梁调至水平（目测）。测微头起始点的合适位置是能向上、向下移动的合适位置是能向上、向下移动5mm；根据图接线根据图接线R2、R3、R4 为电桥单元的固定电阻。为电桥单元的固定电阻。R1为应变片；将稳压电源的切换开关置为应变片；将稳压电源的切换开关置4V挡，挡，FV表置表置20V 挡。开启电源，调节电桥平衡网络中的挡。开启电源，调节电桥平衡网络中的WD,使使FV表显示为零，等待数分钟后将电压表显示为零，等待数分钟后将电压/频率表置频率表置2V挡，再调电桥挡，再调电桥
18、WD（慢慢地调），使电压（慢慢地调），使电压/频率表显频率表显示为零。示为零。2)连接电路连接电路 然后沿反方向转动测微头至开始输出电压为零的测然后沿反方向转动测微头至开始输出电压为零的测量起点处。静等量起点处。静等2分钟后记录电压表的读数和符号分钟后记录电压表的读数和符号.再再次调节次调节WD使差动放大器的输出电压为使差动放大器的输出电压为“0”。导线的拔插导线的拔插机械滞后机械滞后 向上转动测微头，使弹性梁向上弯曲向上转动测微头，使弹性梁向上弯曲,每向上移每向上移动动mm记录一次输出电压值，直到测微头向上移动记录一次输出电压值，直到测微头向上移动mm。计算应变片向下和向上移动时的灵敏度。计
19、算应变片向下和向上移动时的灵敏度S=V/X，并画出向下和向上运动时，并画出向下和向上运动时V-X关系曲线。关系曲线。2、三种桥路性能比较、三种桥路性能比较测试半桥电路的性能测试半桥电路的性能 测试全桥电路的性能测试全桥电路的性能 实验方法和要求：实验方法和要求：根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连根据电子电路知识，实验前设计出实验电路连线图。线图。独力完成实验电路连线。独力完成实验电路连线。找出这三种电桥输出电压与位移之间的关系，在找出这三种电桥输出电压与位移之间的关系，在同一坐标中绘出三个电路的同一坐标中绘出三个电路的X-V关系曲线。分关系曲线。分析、计算三种不同桥路的曲线斜率即系统灵敏
20、度析、计算三种不同桥路的曲线斜率即系统灵敏度S=U/X（U输出电压变化量，输出电压变化量，X位移变化量）位移变化量）比较分析三种接法的灵敏度的比值，与理论比值比较分析三种接法的灵敏度的比值，与理论比值比较。比较。注意注意:由于对位移测量时，测微头要从水平由于对位移测量时，测微头要从水平位置位置正的最大值正的最大值回复到零，水平位置回复到零，水平位置负的最大值，容易造成零点偏移。因此在计负的最大值，容易造成零点偏移。因此在计算灵敏度时可以将正的的灵敏度与负的的灵算灵敏度时可以将正的的灵敏度与负的的灵敏度分别计算，再求其平均值。敏度分别计算，再求其平均值。【注意事项】【注意事项】1在更换应变片时应将电源关闭。2在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。3在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。4直流稳压电源为4V，不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。5接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。6电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记。四、思考题四、思考题