应变片实验报告-金属箔式应变片单臂电桥性能实验

实验报告（传感器原理及工程应用）课程名称：传感器原理及工程应用专业班级：电子1412学生姓名：孙玮盛建东张昱所属院部：电子与信息工程学院指导教师：王俭2016——2017学年第2学期金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、测量电路原理分析应变片单臂电桥实验所使用的原理电路如图1所示。该电路主要由单臂直流电桥电路和由四运放组成的放大电路构成。单臂直流电桥电路中的R2为应变片，R6的作用是调零，将电桥两端调节平衡，使得电桥输出端初始状态下为零。其输出的差值电压为V=k∆𝑅2𝑅2𝑉𝑖(1)上式中，k为一个和R3、R4和R5有关的一个值。对于放大电路，设放大电路两个输入端电压分别为Vi1和Vi2，IC4负输入端电压为VREF，且R11和R10相等，R12和R13相等，则可以推导出Vo的表达式为𝑉𝑜=(1+𝑅15𝑅14)𝑉𝑅𝐸𝐹+𝑅15𝑅14𝑅12𝑅10𝑅9+𝑅8+𝑅7𝑅7(𝑉𝑖1-𝑉𝑖2)(2)由上式可知，该电路可以通过调节R16以改变VREF实现较零，通过调节R7来改变放大的倍数。图1二、实验具体步骤如图2所示，实验模板中的R1,R2,R3,R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的。根据图2所示，应变式传感器装于应变器传感器模块上，传感器中4片应变片和加热电阻连接在实验模板左上方的R1,R2,R3,R4和加热器上，传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4。当传感器托盘支点受压时，R1,R3阻值增加，R2,R4阻值减小，可用四位半数显万用表进行测量判别，常态时应变片阻滞为350Ω，加热丝电阻为50Ω左右。先根据图2安装接线，然后将图2实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi=0）；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。接下来，拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原。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；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。最后记录实验结果。图2三、实验数据分析表1为每次增加一个砝码（每个砝码为20g）以及加满10个砝码后逐个撤去时测量的数据。表2、表3为每次增加2个和3个砝码以及撤去时测量数据。重量(g)020406080100120140160180200电压(V)0.0000.0030.0070.0110.0140.0180.0220.0250.0290.0320.036电压(V)0.0010.0040.0080.0110.0150.0180.0210.0260.0290.0330.036表1实测数据根据表1计算得系统灵敏度为：𝑆=∆𝑈∆𝑊=0.00018𝑉/𝑔(3)根据式（1）和式（2）可知，理想状态下，重量与输出电压的关系曲线应该为一条固定斜率且过原点的直线。我们可以将图中最大值和最小值的连线设为理想线段，其斜率即为式（3）中所算的灵敏度S的值，理想线段数据如表2所示。根据表1和表2的数据绘制理想值与实测数据的对比结果，其如图3所示。从图中可以看出实际测量值和理想值之间误差较小，误差均值为0.000236V。此外，根据上述数据可以计算得到非线性误差为：𝛿=∆𝑚𝑦𝐹𝑆×100%≈1.67%(4)上式中∆𝑚为输出值与理想线段的最大误差，𝑦𝐹𝑆为满量程输出平均值，此处为200g。重量(g)020406080100120140160180200电压(mV)03.67.210.814.418.021.625.228.832.436.0表2理想线段数据图3理想值与实测数据的对比图根据测量值可以计算出线性趋势线，得到其表达式为：𝑦=𝑥∗0.0001809−0.0001818(5)线性趋势线是适用于简单线性数据集的最佳拟合直线，本次实验数据符合该特性，因此选择线性趋势线，其数据如表3所示。根据表1和表3的数据绘制趋势线与实测数据的对比结果，其如图3所示。从图中可以看出，两者的差值的平均值为0.000238V，此时差值与图3中差值接近。此外，根据上述数据可以计算得到非线性误差为：𝛿=∆𝑚𝑦𝐹𝑆×100%≈1.32%(6)从上面的计算结果可以看出，测量值与趋势线之间的非线性误差要好于测量值与理想曲线的非线性误差。重量(g)020406080100120140160180200电压(mV)-0.183.4367.05410.6714.2917.9121.5325.1428.7632.3836.00表3趋势线数据-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04020406080100120140160180200220电压/V重量/g理想值实测值差值图4趋势线与实测数据的对比图图5为将砝码拿下时测量的值和理想值的对比图。从图中可以看出砝码拿下时，与理想值的差值较图3中要大，差值的均值为0.000545V，但仍近似满足理想线段。其非线性误差为：𝛿=∆𝑚𝑦𝐹𝑆×100%≈2.78%(7)图5砝码拿下时测量值和理想值的对比图-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04020406080100120140160180200220电压/V重量/g实测值趋势线差值00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04020406080100120140160180200220电压/V重量/g测量值理想值差值图6为将砝码拿下时测量的值和趋势线的对比图。从图中可以看出砝码拿下时，其与趋势线的差值的均值为0.000637V，相对于与理想线段对比的差值要大。其非线性误差为：𝛿=∆𝑚𝑦𝐹𝑆×100%≈3.28%(8)同样，由上面的结果也可以看出，与趋势线的线性误差要大于与理想线段对比。因此从上述数据可以看出，理想曲线更加接近测量值，且理想曲线也线性和过零点的条件。图6砝码拿下时测量值和趋势线的对比图四、实验遇到的问题及误差原因分析对于上述出现的全部误差及实验过程中出现的情况分析如下：（1）应变片反应不灵敏或电路预热不完全。实验中我们先用R1进行了测量，但发现数据量变化十分小，有时增加好几个砝码数值都不发生变化。之后我们换了R2进行实验，发现此时测的数据比较好，有明显变化且呈线性。（2）调零时不够准确。因为滑动变阻器阻值较大，调零时读数会波动很大，且调零后较容易受外界干扰。（3）桌面晃动，仪器不水平。测量能明显感觉到，如有同学拍一下或动桌子，数值会发生明显变化。因此我们总共测了四次，我们从其中选择了最为稳定的进行分析。（4）移动砝码时必须做到轻拿轻放，如果动作过大或者一瞬间加的砝码数量较多时，将会会导致应变片发生过形变，导致读数数值偏大。（5）支架松动。实验设备支架最初松动的较为厉害，稍微一动读数就上升到0.08V，此时就需要用螺丝对支架进行紧固。-0.00500.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04020406080100120140160180200220电压/V重量/g实测值趋势线差值（6）外部电压干扰。如测量数据可以看出电压值较小，一般为0到40mV之间，这种电压很容易受到外部电压的干扰。（7）存在随机误差。从表1可知放和拿理想上是不存在误差的，但是实际上存在随机误差导致相同重量而测得的电压值却不同。