压力传感器和弹性模量的测量2013.8.28

电阻应变片压力传感器特性及应用1.了解和研究压力传感器的特性及其应用。2.理解非平衡电桥电路原理。3.设计电子称原理。实验目的◆应变物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。工作原理◆弹性应变当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变。◆应变式传感器：工作原理是基于“应变效应”，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象。结构特征：通常由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。例如：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：AlR当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为：AdALdLdRdR2LLdRddLdAAAA＝＋电阻相对变化量：如何理解应变效应？金属电阻应变片压力传感器测量电路1、非平衡电桥●由图可知，电桥输出电压U0为：●当电桥平衡时，Uo=0，则有：非平衡电桥原理1324RRRR1401234RRUERRRR●当横梁受到载荷F的作用时，R1和R3增大，R2和R4减小，如图所示，电桥不平衡，则U0为：)(4433442211110RRRRRRRRRRRREU有载荷的非平衡电桥假设ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4＝ΔR，则有RREU.02、电阻的变化与电压的关系3、压力传感器的灵敏度S●静态特性：在静载荷（F）作用下，用实验的方法求得输入的力与传感器输出电压（U0）之间的线性关系(即U=a+bF)。●灵敏度：传感器在静态工作条件下单位压力所产生的输出电压，称为静态灵敏度。用公式表示如下：这实际上就是传感器静态特性曲线（U～F曲线）上某点的斜率。dFdUFUSF)(lim0注意：本实验要求选择E=5V和E=10V两种电压条件下，测量压力传感器的灵敏度特性曲线。线性灵敏度特性曲线1.给出设计思路，确定实验步骤，并列出原始数据表格。2.对设计的产品进行检验，给出输出电压与重量之间的对应关系，并利用作图法求出压力传感器的灵敏度S。3.利用上述实验原理设计一款电子称，称量塑料盒（有盖和无盖）时的重量。实验步骤液压拉伸法测量弹性模量实验目的了解弹性模量的物理概念，掌握其测量原理和方法。学会用光杠杆测量微小伸长量的方法。1、弹性模量（ElasticModulus）◆定义：在弹性限度内，材料所受应力（如拉伸、压缩、弯曲和扭曲等）和所产生的相应应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。◆特点：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。◆测量方法：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LSLFLLSFE.2、钢丝的弹性模量（杨氏模量）设钢丝的原长为L，横截面积为S，当在长度方向施加外力F时，其伸长(或缩短)ΔL。根据胡克定律，在弹性限度内，单位面积上的垂直作用力F/S（正应力）与金属丝的相对伸长ΔL/L（线应变）成正比，即3、钢丝弹性模量的测量测量装置示意图●测量原理：利用光杠杆放大原理测量钢丝的弹性模量。bbtanL钢丝的实际伸长量DDPPN4)4tan(21放大后的伸长量光杠杆放大原理示意图bDL4N放大倍数241dS而钢丝的横截面积为NDbL4长量由上式推出，钢丝的伸bNdFLDE216钢丝的弹性模量上式中，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：实验装置示意图实验装置实验内容1.调整杨氏弹性模量仪的支架底角螺旋H，使支架铅直。2.调节光杠杆装置。（1）粗调：调整两平面镜与望远镜在同一高度。调整两平面镜的倾角及望远镜方位，使得从望远镜上方看去，能在光杠杆反射镜中看到调节反射镜像中直尺的像。（2）细调3.测量打开电源，待显示器出现“0.000”后用液压加力盒调节螺旋杆缓慢加力，数显拉力从10kg开始，每加1kg记录一次标尺读数，共测10或12组数据；将液压螺旋调节杆旋至最外，即数显拉力指示为“0.000”附近后，关闭电源；测量：D——调节反射镜到标尺的距离L——钢丝原长b——光杠杆腿长d——钢丝直径（测6次）注意事项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；应缓慢增加压力，加力停之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；测量结束后，必须将压力减小至0附近，即液压螺旋杆旋至最外方可关闭电源。