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南昌大學物理實驗報告 課程名稱： 普通物理實驗（3） 實驗名稱： 金屬箔式應變片傳感器性能研究 學院： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學號： 實驗地點： 座位號： 實驗時間： 一、 實驗目的： 1.了解金屬箔式應變片的應變效應，掌握單臂電橋工作原理和性能。 2.比較全橋、、半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。 3.了解全橋測量電路的優(yōu)點及其在工程測試中的實際應用。 二、 實驗儀器： 應變傳感器實驗模塊、托盤、砝碼、、數(shù)顯電壓表、15V和4V電源 三、 實驗原理： 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關系式為：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù)，ε=Δl/l為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感組件，四個金屬箔應變片分別貼在彈性體的上下兩側(cè)，彈性體受到壓力發(fā)生形變，應變片隨彈性體形變被拉伸，或被壓縮。通過這些應變片轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化、電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化。 1、單臂電橋?qū)嶒炄鐖D1-1所示，R5、R6、R7為固定電阻，與應變片一起構(gòu)成一個單臂電橋。 其輸出電壓 E為電橋電源電壓，R為固定電阻值，上式表明單臂電橋輸出為非線性，存在著非線性誤差 2、半橋差動電路如圖1-2，不同受力方向的兩只應變片接入電橋作為鄰邊。 圖1-2 電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善，當兩只應變片的阻值相同、應變數(shù)也相同時，半橋的輸出電壓為 U0=EKε2=E2??RR E為電橋電源電壓，上式表明，差動半橋輸出與應變片阻值變化率呈線性關系。 3、全橋測量電路如圖1-3，受力性質(zhì)相同的兩只應變片接到電橋的對邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始值相等，變化量也相等時，其橋路輸出： E為電橋電源電壓，上式表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍。 四、 實驗內(nèi)容： 1、單橋性能測試 （1）變傳感器上的各應變片已分別接到應變傳感器模塊左上方的R1、R2、R3、R4上，可用多用表測量判別，R1=R2=R3=R4=350Ω. （2）從主控臺接入15V電源，檢查無誤后，合上主控臺電源開關，將差動放大器的輸入端Ui短接，輸出端U02接數(shù)顯電壓表（選擇2V檔），調(diào)節(jié)電位器Rw4，使電壓表顯示為0V，Rw4的位置確定后不能改動。關閉主控臺電源。 （3）將應變式傳感器的其中一個應變電阻（如R1）接入電橋與R5,R6,R7構(gòu)成一個單臂直流電橋，見圖31-2，接好電橋調(diào)零電位器Rw1，直流電源4V，電橋輸出接到差動放大器的輸入端Ui，檢查接線無誤后，合上主控臺電源開關，調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表顯示為零（不為零亦可）。 （4）在應變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示2mV，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼并讀取相應的數(shù)顯表值，表格自擬。 2、半橋性能測試 差動放大器調(diào)零后，按圖31-3接線。調(diào)節(jié)Rw1，使電壓表顯示為零。在應變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示10mV左右，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完，表格自擬。 3、全橋性能測試 差動放大器調(diào)零后，按圖31-4接線，在應變傳感器托盤上放置一只砝碼，調(diào)節(jié)Rw3，改變差動放大器的增益，使數(shù)顯電壓表顯示0.020V左右，讀取數(shù)顯表數(shù)值，保持Rw3不變，依次增加砝碼并讀取相應的數(shù)顯表數(shù)值，直到200g砝碼加完。 五、 實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析處理： 表一：單橋性能測試 m/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U/mV 2.0 6.1 10.5 14.8 18.1 22.4 26.5 31.2 36.5 40.9 擬合 U/mV 1.65 5.93 10.21 14.48 18.76 23.04 27.32 31.59 35.87 40.15 ΔU/mV 0.35 0.17 0.29 0.32 0.66 0.64 0.82 0.39 0.63 0.75 計算靈敏度S=ΔUΔW=0.2139V/kg 計算非線性誤差δf1=Δmyfs100%=0.41% 表二：半橋性能測試 m/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U/mV 10.0 18.4 27.2 36.1 44.7 53.4 62.2 70.9 79.7 88.3 擬合 U/mV 9.84 18.56 27.28 36.01 44.73 53.45 62.17 70.90 79.62 88.34 ΔU/mV 0.16 0.16 0.08 0.09 0.03 0.05 0.03 0.00 0.80 0.43 計算系統(tǒng)靈敏度L=ΔUΔW=0.43615V/kg 計算非線性誤差δf1=Δmyfs100%=0.215% 表三：全橋性能測試 m/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 U/mV 21.4 42.8 63.7 84.0 104.5 125.1 146.2 166.3 187.7 207.8 擬合 U/mV 21.89 42.57 63.25 83.93 104.6 125.3 146.0 166.7 187.3 208.0 ΔU/mV 0.49 0.23 0.47 0.07 0.11 0.19 0.23 0.35 0.37 0.21 計算靈敏度L=ΔUΔW=1.034V/kg 計算非線性誤差δf1=Δmyfs100%=0.235% 六、思考題： 1、單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：（1）正（受拉）應變片（2）負（受壓）（3）正、負應變片均可以？ 答：正、負應變片均可以。當采用負應變片時，得到的電壓是負值。 2、半橋測量時兩個不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在：（1）對邊；（2）鄰邊。 答：鄰邊。 3、全橋測量中，當兩組對邊（R1、R3為對邊）值R相同時，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2時，是否可以組成全橋：（1）可以（2）不可以。 答：不可以。 4、橋路（差動電橋）測量時存在非線性誤差，是因為：（1）電橋測量原理上存在非線性（2）應變片應變效應是非線性的（3）調(diào)零值不是真正為零。 答：電橋測量原理上存在非線性。