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主要取决于其几何效应;
可取
(1—5)
其灵敏度系数为:
K=
金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化,拉伸时电阻增大,压缩时电阻减小,且与其轴向应变成正比。
金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
(2)、半导体的应变灵敏度:
主要取决于其压阻效应;
dR/R<
≈dρ⁄ρ。
半导体材料之所以具有较大的电阻变化率,是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。
在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性,因而改变了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同,可以是正(使电阻增大)的或负(使电阻减小)的压阻效应。
也就是说,同样是拉伸变形,不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应,其灵敏度系数较大,一般在100到200左右。
3、贴片式应变片应用
在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片,贴片式半导体应变片(温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏)很少应用。
一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜(扩散出敏感栅),制成扩散型压阻式(压阻效应)传感器。
*本实验以金属箔式应变片为研究对象。
4、箔式应变片的基本结构
金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上,粘贴直径为0.025mm左右
的金属丝或金属箔制成,如图1—1所示。
(a)丝式应变片
(b)箔式应变片
图1-1应变片结构图
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件,与丝式应变片工作原理相同。
电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为:
ΔR/R=Kε式中:
ΔR/R为电阻丝电阻相对变化,K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
5、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1-2应变片单臂电桥性能实验原理图
对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±
15V电源、±
4V电源、万用表(自备)。
四、实验步骤:
1、根据图(1-3)应变式传感器已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模板上,可用万用表进行测量判别,R1=R2=R3=R4=350Ω,加热丝阻值为50Ω左右。
图1-3应变式传感安装示意图
2、接入模板电源±
15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置,再进行差动放大器调零,方法为将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显表电压输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器RW4,使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源。
3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好),接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源±
4V(从主控箱引入)如图1-4所示。
检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节Rw1,使数显表显示为零。
图1-4应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子称上放置一只砝码,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。
记下实验结果如表1-1,关闭电源。
表1-1
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
3.1
6.4
9.8
13.1
16.1
19.0
22.5
25.6
29.3
31.4
5、根据表1-1计算系统灵敏度S,S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量;
ΔW重量变化量)计算线性误差:
δf1=Δm/yF·
S×
100%式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差,yF·
S满量程输出平均值。
由表1-1得拟合曲线为:
u=0.1591W+0.1267,所以S=0.1591(mv/g);
又计算得Δm=0.5533(mv),yF·
S=28.3(mv),
所以δf1=Δm/yF·
100%=1.96%
五、思考题:
单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:
(1)正(受拉)应变片
(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。
答:
正、负应变片均可以。
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的:
比较半桥与单臂电桥的不同性能,了解其特点。
二、基本原理:
不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边,电桥输出
灵敏度提高,非线性得到改善。
当两片应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压U02=EK/ε2。
图2-1应变片半桥特性实验原理图
同实验一。
1、传感器安装同实验一。
做实验
(一)2的步骤,实验模板差动放大器调零。
2、将适当的两片应变片接入桥路。
R1、R2为实验模板左上方的应变片,注意R2和R1受力状态相反,即将传感器中两片受力相反的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源±
4V,调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零,实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤,将实验数据记入表2-1,计算灵敏度S=ΔU/ΔW,非线性误差δf2。
若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片,应更换另一个应变片。
表2-1半桥测量时,输出电压与加负载重量值
6.3
13.0
19.4
26.0
32.8
39.3
46.0
52.6
59.2
65.9
由表2-1计算拟合曲线方程为:
y=0.331x-0.36,所以S=0.331;
同实验一,可计算出δf2=0.2%
1、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在:
(1)对边
(2)邻边。
答:
邻边
2、桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差,是因为:
(1)电桥测量原理上存在非线性
(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
了解金属箔式应变片的应变效应,理解全桥测量电路优点。
全桥测量电路中,将受力性质相同的两应变片接入电桥对
边,不同的接入邻边,当应变片初始阻值:
R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,其桥路输出电压U03=KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差和温度误差均得到改善。
图3-1应变片全桥特性实验接线示意图
三、需用器件和单元:
2、参考图1-4接线,将四片应变片按正确的方式接入桥路。
将实验结果填入表3-1;
实验后进行灵敏度和非线性误差计算。
表3-1全桥输出电压与加负载重量值
12.5
25.7
38.8
51.4
64.0
76.9
89.7
102.1
115.1
127.9
S=0.639,δf3=0.35%
1、全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥:
(1)可以
(2)不可以。
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片,如何利用这四片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻。
见图3-2。
图3-2应变片传感器受拉时传感器圆周面展开图
实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,得出相应的结论。
二:
实验原理:
如图4(a)、(b)、(c)
4(a)单臂4(b)半桥4(c)全桥
三、实验步骤:
根据上面实验一、二、三所得的数据,事后在同一坐标系中分别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线,分别计算其灵敏度和非线性度,从中能得出什么实验结论?
(注意:
实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。
实验五直流全桥的应用——电子秤实验
了解应变片直流全桥的应用电路的标定。
电子秤实验原理为实验三全桥测量原理,通过对电路调节
使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、±
4V电源。
1、按实验一中2的步骤将差动放大器调零:
参考图1-4将四个应变片按正确的接法接成全桥形式,合上主控箱电源开关调节电桥平衡电位器Rw1,使数显表显示0.000V。
2、将10只砝码轻轻地全部置于传感器的托盘上,调节电位器Rw3(增益即满量程调节),使数显表显示为0.200V(2V档测显)。
3、拿去托盘上的所有法码,调节电器Rw4(零位调节),使数显表显示为0.000V或。
4、重复2、3步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量纲V改为重量量纲g,就可秤重,成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上,填入下表5-1:
表5-1标定后的应变片全桥输出电压和重量对应值
21
42
63
83
104
125
146
166
187
207
6、放入重量稍轻的一件随身物品,称出其实际重量记录下来。
实验六差动变压器的性能实验
了解差动变压器的工作原理和特性。
差动变压器的工作原理电磁互感原理。
差动变压器的结构如图6-1所示,由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化,即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接(*同名端相接),以差动电势输出,所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器,通常简称差动变压器。
当差动变压器工作在理想情况下(忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响),它的等效电路如图6-2所示。
图中U1为一次绕组激励电压;
M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感:
L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻;
L21、L22分别为两个二次绕组的电感;
R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。
对于差动变压器,当衔铁处于中间位置时,两个二次绕组互感相同,因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。
由于两个二次绕组反向串接,所以差动输出电动势为零。
当衔铁移向二次绕组L21,这时互感M1大,M2小,
图6-1差动变压器的结构示意图图6-2差动变压器的等效电路图
因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势,这时差动输出电动势不为零。
在传感器的量程内,衔铁位移越大,差动输出电动势就越大。
同样道理,当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零,但由于移动方向改变,所以输出电动势反相。
因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。
由图6-2可以看出一次绕组的电流为:
二次绕组的感应动势为:
由于二次绕组反向串接,所以输出总电动势为:
其有效值为:
差动变压器的输出特性曲线如图6-3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势,E2为差动输出电动势,x表示衔铁偏离中心位置的距离。
其中E2的实线表示理想的输出特性,而虚线部分表示实际的输出特性。
E0为零点残余电动势,这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。
零点残余电动势的存在,使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏,给测量带来误差,此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。
图6-3
差动变压器输出特性
差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器,音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。
1、根据图6-4,将差动变压器装在差动变压器实验模板上。
图6-4差动变压器电容传感器安装示意图
2、在模块上按图6-5接线,音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出,调节音频振荡器的频率,输出频率为4~5KHz(可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测)。
调节幅度使输出幅度为峰一峰值Vp-p=2V(可用示波器监测:
X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div)。
判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下:
设任一线圈为初级线圈,并设另外两个线圈的任一端为同名端,按图6-5接线。
当铁芯左、右移动时,观察示波器中显示的初级线圈波形,次级线圈波形,当次级波形输出幅值变化很大,基本上能过零点,而且相位与初级圈波形(Lv音频信号Vp-p=2V波形)比较能同相和反相变化,说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的,否则继续改变连接再判别直到正确为止。
图中
(1)、
(2)、(3)、(4)为模块中的实验插孔。
图6-5双线示波与差动变压器连结示意图
3、旋动测微头,使示波器第二通道显示的波形峰一峰值Vp-p为最小。
这时可以左右位移,假设其中一个方向为正位移,则另一方向位移为负。
从Vp-p最小开始旋动测微头,每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值填入下表6-1。
再从Vp-p最小处反向位移做实验,在实验过程中,注意左、右位移时,初、次级波形的相位关系。
表6-1差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表
V(mv)
。
-←
0mm
→+
X(mm)
Vp-p最小
4、实验过程中注意差动变压输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。
根据表6-1画出Vop-p-X曲线,作出量程为±
1mm、±
3mm灵敏度和非线性误差。
1、用差动变压器测量较高频率的振幅,例如1KHz的振动幅值,可以吗?
差动变压器测量频率的上限受什么影响?
2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同?
实验七电容式传感器的位移实验
了解电容式传感器结构及其特点。
利用平板电容C=εA/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中,保持二个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
1、按图6-4安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板,实验线路见图7-1。
图7-1电容传感器位移实验接线图
3、将电容传感器实验模板的输出端V01与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw调节到中间位置。
4、接入±
15V电源,旋动测微头推进电容传感器动极板位置,每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表7-1。
5、根据表7-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构,并叙述一下在此设计中应考虑哪些因素?
实验八直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
了解霍尔式传感器原理与应用。
霍尔式传感器是一种磁敏传感器,基于霍尔效应原理工作。
它将被测量的磁场变化(或以磁场为媒体)转换成电动势输出。
根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,当霍尔元件处在梯度磁场中运动时,它就可以进行位移测量。
图8-1霍尔效应原理
三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±
4V、±
15V、测微头、数显单元。
四、实验步骤:
1、将霍尔传感器按图8-2安装。
霍尔传感器与实验模板的连接按图8-3进行。
1、3为电源±
4V,2、4为输出。
图8-2霍尔传感器安装示意图
2、开启电源,调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW2使数显表指示为零。
图8-3霍尔传感器位移直流激励实验接线图
3、旋转测微头向轴向方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表8-1。
表8-1
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
32.0
62.6
94.7
126.3
157.7
189.4
222.0
255.1
289.2
324.0
2.2
2.4
2.6
333.0
作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化?
由霍尔传感器的工作原理可知:
U=KIB;
也就是说霍尔元件实际感应的是元件所在的位置的磁场强度B的大小(在电流I一定的情况下)。
由此可知,实验中霍尔元件位移的线性性实际上反映了元件测量处磁场的线性分布。
实验九电涡流传感器位移实验
一、实验目的:
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
通以高频电流的线圈产生磁场,当有导电体接近时,因导电体涡流效应产生涡流损耗,而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关,因此可以进行位移测量。
图9-1电涡流传感器原理图
图9-2电涡流传感器等效电路图
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、验步骤:
1、
根据图9-3安装电涡流传感器。
图9-3电涡流传感器安装示意图
图9-4电涡流传感器位移实验接线图
2、观察传感器结构,这是一个扁平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中,作为振荡器的一个元件(传感器屏蔽层接地)。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端V0与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
6、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模板上标有+15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触,开启主控箱电源开关,记下数显表读数,然后每隔0.2mm读一个数,直到输出几乎不变为止。
将结果列入表9-1。
表9-1电涡流传感器位移X与输出电压数据
V(v)
0.06
0.24
0.45
0.65
0.86
1.09
1.31
1.53
1.76
1.98
2.8
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
2.20
2.42
2.63
2.82
3.02
3.21
3.38
3.56
3.72
3.87
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
4.02
4.13
4.28
4.39
4.51
8、根据表9-1数据,画出V-X曲线,根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的佳工作点,试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度(可以用端基法或其它拟合直线)。
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关,如果需要测量±
5mm的量程应如何设计传感器?
与金属导体的电阻率c,厚度t,线圈的励磁电流角频率w以及线圈与金属块之间的距离x等参数有关。
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时,如何根据量程使用选用传感器。
可以通过贴金属片等方式进行测量。
实验十光纤传感器的位移特性实验
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
本实验采用的是导光型多模光纤,它由两束光纤组成Y型光纤,探头为半圆分布,一束光纤端部与光源相接发射光束,另一束端部与光电转换器相接接收光束。
两光束混合后的端部是工作端亦即探头,它与被测体相距X,由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来,由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量,而光电转换器转换的电压量大小与间距X有关,因
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