电阻应变式传感器灵敏度特性的研究Word文档格式.docx
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2.(金属材料电阻应变式)敏感元件的结构
上图中的1是敏感栅,它用厚度为0.003~0.101mm的金属箔栅状或用金属线制作。
3.(电阻应变式传感器)原理
敏感元件(弹性元件)+变换测量电路
如下图:
4.转换电路
金属箔电阻应变片贴牢在悬臂梁上下表面,悬臂梁远端加砝码使它弯曲,上表面受到拉伸,下表面受到压缩。
所以上表面电阻阻值变大,下表面电阻阻值变小。
分别将一个、两个或四个电阻应变片与固定电阻组成电桥(所谓单臂、半桥或全桥),以电压表为平衡检测器。
未加砝码时,调节电桥平衡,输出电压为零。
随着负载增加,电桥不平衡性加大,电压表读数越大。
做V-W图,是线性关系。
对应三种情况,分别求出电桥灵敏度(单位质量变化引起电压的变化ΔV/ΔW)。
使用的电桥电路有
单臂电桥:
R1为应变片
半桥电路:
R1R2为应变片
全桥电路:
R1R2R3R4为应变片
当电桥平衡时
a.单臂电桥
当R1变化时,
此法有非线性误差。
当R1=R2,R3=R4时,
U/4
b.
半桥电路
当R1R2变化时,
成线性关系。
当R1=R2=R3=R4时,
U/2
c.全桥电路
当R1R2R3R4变化时,
灵敏度最高。
U
对于交流,若Z1=Z2及Z3=Z4,则有
U/4。
交流平衡既要保证相对两臂复阻抗模之积相同,也要使得幅角之和也相等。
实验内容:
1.按下图将金属箔式应变片电阻接成单臂电桥电路,测量灵敏度
。
图
(一)
2.按下图将金属箔式应变片电阻接成半桥电桥电路,测量灵敏度
图
(二)
3.按下图将金属箔式应变片电阻接成全桥电桥电路,测量灵敏度
图(三)
4.比较以上三种电路的灵敏度之间的关系。
实验步骤及数据处理:
1.检查导线有无断路。
2.对差动放大器进行调零。
3.按图
(一)所示接好单臂电桥电路,接通主、副电源。
4.调节WD使电路平衡(输出电压U0=0)。
5.在托盘上逐次增加一个砝码,并记下每次输出电压的读数,直到砝码全部加完。
6.在托盘上逐次减少一个砝码,并记下每次输出电压的读数,直到砝码全部减完。
7.拆掉接线,按图
(二)连成半桥电路,重复4、5、6步操作.
8.拆掉接线,按图(三)连成全桥电路,重复4、5、6步操作.
9.作V-W关系曲线,计算三种电路的灵敏度S,并比较。
(1)所测数据如下表格
砝码个数
1
2
3
4
5
砝码质量/g
20
40
60
80
100
加砝码对应的电压/V
0.000
0.011
0.022
0.033
0.045
0.056
减砝码对应的电压/V
-0.003
0.008
0.020
0.032
0.043
0.055
6
7
8
9
10
120
140
160
180
200
0.068
0.079
0.091
0.102
0.114
0.067
0.090
(2)作输出电压V与加载重物W的关系曲线为:
(3)利用最小二乘法计算直线的斜率S及其误差。
.
设直线的斜率为m,截距为b,由
联立得:
其中
相关系数
其中
斜率m的标准差
,截距b的标准差为
代入算得:
=
;
因此可得单臂电桥电路的灵敏度为
半桥电桥:
0.023
0.047
0.070
0.094
0.118
0.002
0.026
0.050
0.073
0.096
0.120
0.142
0.167
0.190
0.214
0.238
0.143
0.191
(3)同样用最小二乘法可以求得:
因此可得半桥电桥电路的灵敏度为:
全桥电桥:
0.092
0.139
0.185
0.230
0.009
0.054
0.100
0.145
0.235
0.276
0.321
0.367
0.414
0.460
0.281
0.325
0.370
0.415
(3)同样用最小二乘法可以求得:
因此全桥电桥电路的灵敏度为:
在同一坐标纸上描出三条V–W曲线得:
由作出的图形或之前计算的数据可知:
<
即全桥电路的灵敏度最高,半桥电路次之,而单臂电桥的灵敏度最低。
因此采用全桥电路测量物理量相对准确。
【注意事项】
1.在更换应变片时应将电源关闭;
2.在实验中如果发现电压表过载,应将量程扩大;
4.在接全桥时一定要注意应变片的工作状态和受力方向;
5.拔线时千万不要拽线,应拿住头部轻旋拔下。
【误差分析】
1.系统误差:
(1)单臂电桥的输出电压
并不是与
成严格的线性关系,有非线性误差
(2)全桥电路的输出电压
也不是与
成严格的线性关系,在推导式子的过程中忽略了高阶微小量。
2.读数误差:
(1)线路的松动会导致电压不稳定,这时读数就存在了估读,从而引起了一定的误差。
(2)加上砝码后,读数不能太快,由于滞后效应,电压显示值在突变之后还会发生微小的变化,应等读数稳定了以后再读,否则会导致读数不准确。
【思考题(第二题)】
在许多物理实验中(如拉伸法测钢丝杨氏模量,金属热膨胀系数测量以及本实验)加载(或加热)与减载(或降温)过程中对应物理量的变化有滞后效应。
试总结它们的共同之处,提出解决方案。
答:
共同之处:
金属的形变,温度的变化都不是瞬间完成的,需要一定的反应时间,导致测量的真实值出现在读数之后。
(即滞后效应)
解决方案:
实验中使每一次形变或温度变化尽可能小,从而缩短滞后时间。
改变实验条件(即发生形变或改变温度)后,过一段时间再读取数据。
【实验心得】
1.全桥电路的灵敏度是三者之中最高的,因此后面做的交流电桥实验用的是交流全桥。
2.实验中出现了这样一种情况,导线接好后,如果用手去碰导线,电压的示数会发生显著的变化,这是因为在电桥的输出电压很小的情况下,手或其他物品与导线的接触电压就不能忽略了,相反它对输出电压有着很大的影响。
因此在调完电桥平衡后,不要再碰导线了,否则又要重新调电桥平衡。
3.接线前一定要先检查导线有无损坏,否则后面的实验都难以进行。
4.接线时要以点为基准连线,避免接线时易出错。
5.不可跨点连线,虽然这种接法理论上是正确的,但实际表明,它对实验的结果有较大影响。
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- 电阻 应变 传感器 灵敏度 特性 研究