实验一传感器项目实验

实验一传感器项目实验《箔式应变片性能——单臂电桥和双臂电桥》一、实验目地：1．了解电阻应变片传感器的转换原理。2．了解电阻应变片直流电桥的工作原理和特性。3．利用电阻应变片直流电桥测量传感器的电压，比较单臂电桥和双臂电桥的灵敏度。二、实验仪器：直流稳压电源DH-VC2-4V档、电桥模块、差动放大器、箔式应变片、测微头及连接件、电压表或万用表、九孔板接口平台和传感器试验台。三、实验原理传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由对被测量敏感的元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，如应变式压力传感器中的弹性膜片，就是敏感元件；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的电信号（电压、电流）部分，如电阻应变片就是转换元件。1、应变片的转换原理电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路组成。被测力学量作用在一定形状的弹性元件上（如悬臂梁等）使之产生变形。这时，粘贴在其上的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为自身电阻值的变化，再由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出。工程中使用最多的电阻应变敏感元件是金属箔或半导体电阻应变片。考查一段圆截面的导体（金属丝），如图1，设其长为L，截面积为A（直径为D），原始电阻为RLRA(1)式中，ρ为金属丝的电阻率。当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）产生形变，其电阻值会随之变化。理论和实验表明，金属材料在被拉伸（或压缩）时电阻的相对变化RR与其应变成正比。用公式可以表示为RKR（2）式中，K为金属丝材料的应变灵敏系数,与材料和加工方式有关，LL为金属丝的线应变。以上就是金属材料的应变电阻效应。2．电桥的工作原理和特性（1）电桥的工作原理图2是一个直流电桥。A、C端接直流电源，称供桥端，Uo称供桥电压；B、D端接测量仪器，称输出端334212[()()]  BDBCCDOUUUURRRRRR（3）（2）电桥的加减特性电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化(电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出。理论分析表明，当供桥电压一定且iiRR时，对于全等臂电桥，R1=R2=R3=R4=R，各桥臂应变片灵敏系数相同，此时可用电压输出增量式表示U=0.25UO(R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4)（4）式（4）为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：（a）当只有一个桥臂接应变片时（称为单臂电桥），桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R变为R+△R，其余各臂为固定电阻R（△R2=△R3=△R4=0），则式（4）变为U=0.25UO(R/R)=0.25UOKε（5）（b）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥）,（见图3）即桥臂R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增量△R1、△R2，而R3和R4臂为固定电阻R（R3=R4=0）。当两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时，则有△R1=△R2=△R，由式（4）可得△U=0。当一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有△R1=△R，△R2=－△R，由式（4）可得U0.25UO(R/R)0.25UOKε](6)（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，△R1=△R3=△R，△R2=△R4=－△R，则式（4）变为U0.25UO(R/R)0.25UOKε](7)此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍。（3）电桥的灵敏度电桥的灵敏度S是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小S=U/(R/R)=0.25UO(R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4)/(R/R)令n=(R1/R1-R2/R2+R3/R3-R4/R4)/(R/R)则S=0.25nUO(8)式中，n为电桥的工作臂系数．由上式可知，电桥的工作臂系数愈大，则电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加n及测量灵敏度．在实验中，单臂电桥和双臂电桥时的灵敏度都用此式计算：S＝ΔU／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔU为相应万用表显示的电压相应变化）。最后和理论分析的结果相比较。四、实验步骤：1、了解所需模块、器件设备等，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。测微头在双平行梁后面的支座上，可以上、2、差动放大器调零：V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的GND与差动放大器模块的GND相连，VREF与VREF相连，V+与V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端VP（＋）、反相端VN（－）与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零；3、根据图1接线R1、R2、R3为电桥模块的固定电阻，R4则为应变片；将直流恒压源的打至±4V档，万用表置20V档。开启直流恒压源，调节电桥平衡网络中的电位器W1，使万用表显示为零；VoRx+4V-4VV电桥平衡网络差动放大器万用表R1R2R3W11KVNVPGND22K图14、将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使万用表显示最小，再旋动测微头，使万用表显示为零（细调零），并记下此时测微头上的刻度值（要准确无误地读出测微头上的刻度值）。5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移(X)记下万用表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mmX（mm）U（mv）6、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与RX工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使万用表显示为零，重复（5）过程同样测得读数，填入下表：X（mm）U（mv）7、根据所得结果计算灵敏度S＝ΔU／ΔX，要求用逐差法计算。（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔU为相应万用表显示的电压相应变化）。8、在同一坐标纸上描出X-U曲线，比较两种接法的灵敏度。注意事项：(1)在记录数据之前，请将测微头调至一个合适位置。合适位置：指的是测微头螺杆最长及最短时，万用表示数的范围要足够大。调节方法：通过调整测微头支杆座的高度来实现；(2)在旋转旋钮时，请不要转动测微头支杆。第二部分结构安装及相关说明一、传感器实验台一各部分名称及安装图示1、机箱2、平行梁压块及座3、激励线圈及螺母4、磁棒5、器件固定孔6、应变片组信号输出端7、激励信号输入端8、振动盘9、振动盘锁紧螺钉10、垫圈11、测微头座12、双平行梁13、支杆锁紧螺钉14、测微头15、连接板锁紧螺钉16、支杆锁紧螺钉17、支杆18、连接板19、应变片（中间一片为备用）20、磁棒锁紧螺钉(在隔块后面)21、隔块及固定螺钉说明：①、在做静态实验需要将测微头装上，做动态实验不需要测微头；②、使用振动盘时，须先卸下振动盘，再装上所需的结构，不要在没有卸下之前，装上其它结构。二、电源及信号源的说明三、差动放大器模块说明及其组合差动放大器组合附：差动放大器的工作原理图N2+-R3R2W2R4R5R6R756W18R8V-差动放大器原理图V++-3241N17AD620R1VPGNDVN6V-V+47OUTR9R10V+V-OP07AD620管脚分布图N112345678RG-INREFOUTRG+IN-VS+VSOP07管脚分布图N212345678-IN+INVOUTN.C.V-V+VTRIMOSVTRIMOS