大物仿真实验报告 - 副本
一、 实验目的
1、熟悉仪器内部各部件配置,功能和使用方法
2、观察传感器结构及应变片位置,熟悉仪器上的电桥线路
3、按照图4的电路图连接电路,测量传感器单臂电桥V-W曲线,并求灵敏度S=∆
V∆W。测重物W与电压V的关系曲线,增加砝码(上升曲线)和减小砝码(下降曲线)时各测一条。分别求出上升曲线和下降曲线的灵敏度并求出灵敏度S的平均值。
4、测量传感器半桥和全桥的灵敏度,并与单臂电桥进行比较 。
二、 实验原理
1. 物理基础
如果沿导线轴线方向施加拉力或压力使之产生变形,其电阻也会随之变化,这种现象称为应变电阻效应,如图1所示,电阻应变式传感器正是基于此效应而产生的。
图1金属丝受力时几何尺寸变化示意图
k0=(1+2ν)+dρρε
一般的金属材料,在弹性范围内,其泊松比通常在0.25~0.4之间,因此1+2ν在1.5~1.8之间,而其电阻率也稍有变化,一般金属材料制作的应变敏感元件的灵敏系数值k0
为2左右,但其具体大小需要经过实验来测定。
2. 金属材料电阻应变片的结构
电阻应变片是常用的电阻应变敏感元件,其结构如右图2所示,由1-敏感栅、2-引线、3-粘接剂、4-盖层和5-基底等组成。其中敏感栅是用厚度为0.003~0.010mm的金属箔制成栅状或用金属丝制成。
图2 应变片的结构示意图
3. 电阻应变式传感器的转换电路
应变片将应变量ε转换成电阻相对变化量∆RR,为了测量∆R
,通常采用各种电桥线路。根据接入电桥桥臂的工作应变片的位置和数量,可以将电桥电路分为如图3所示的几种情况:
图3 电桥电路
我们知道电桥平衡的条件为:电桥相对两臂电阻的乘积相等或相邻两臂的电阻比值相等,即
R1R4=R2R3或R1R2=R3R4 (5)
1) 单臂电桥
在四臂电桥中,如果只有R1为工作应变片,由于应变而产生相应的电阻变化为
∆R1,而
R2、R3和R4为固定电阻,则称此电桥为单臂电桥,如图3-b所示。U0为电桥输出电压。初始状态下,电桥处于平衡状态,U0=0。当有
∆R1时,电桥输出电压U0为:
U0=
U(R4R3)(∆R1R1)
(6)
1+(RR)+(∆RR)1+RR211143电桥电压灵敏度定义为:
kμ=U0(∆R1R1) (7)
在式(6)中设桥臂比
n=R2R1,由于电桥初始平衡时有R1R2=R3R4,略去分母中的
∆R1R1,可得
U0=
nU
(1+n)
2
⋅∆R1R1 (8)
于是可以得到单臂为工作应变片时的电桥电压灵敏度为:
kμ=nU(1+n) (9)
2) 半桥电桥
考虑单臂电桥中U值的选择受到应变片功耗的限制,为此可通过选择n值获得最高的灵敏度
2
kμ
,由
dkμdn=0
可得,当n=1时,即:R1=R2,R3=R4时,
kμ
为最大,并且此时
U0=U∆R14R1 (10)
因此
kμ=U/4 (11)
考虑到(8)式中求出U0时忽略了分母中的∆R1R1项,是近似值,实际值存在有非线性误差,为了减小和克服非线性误差,常用的方法是采用差动电桥,如图3-c所示,在试件上安装两个工作应变片,一片受拉力,另一片受压力,然后接入电桥的相邻两臂,电桥此时的输出电压U0为:
⎡R3⎤R1+∆R1
U0=U⎢-⎥ (12)
⎣R1+∆R1+R2-∆R2R3+R4⎦
设平衡电桥初始时R1=R2=R3=R4,因此
∆R1=∆R2,则U0=U⋅∆R12R1
kμ=U/2 (13)
此时输出电压不存在非线性误差,而且电桥灵敏度比单臂电桥时提高了一倍,还具有温度补偿作用。
3) 全桥电桥
为了进一步提高电桥的灵敏度和进行温度补偿,在桥臂中经常安置多个应变片,电桥可采用四臂电桥(或称为全桥),如图3-d所示。
设平衡电桥初始时R1=R2=R3=R4,忽略高阶微小量,则U0=U⋅∆R1R1。因此
kμ=U (14)
此时可见灵敏度最高,且输出与
∆R1R
1成线性关系。
实际测试中由于电阻应变片工作时,其电阻变化通常是很小的,电桥相应的输出电压也很小,要推动检测或记录仪器工作,还必须将电桥输出电压放大处理,本实验中用到的放大器为差分放大器,实际用电路图如图4所示:
图4 实验用电桥电路
三、 仪器设备
SET-N型传感器实验仪;砝码;砝码盒。
四、测量内容
1. 单臂电桥测电桥的灵敏度
单臂电桥的灵敏度(mV/g)=0.568 2. 半桥电桥测电桥的灵敏度
半桥电桥的灵敏度(mV/g)=1.14
全桥电桥的灵敏度(mV/g)=2.28
五、 数据处理
1. 作单臂电桥V-W曲线
2.电桥的灵敏度的计算
根据所得数据表格由S=ΔU/ΔW计算电桥灵敏度:
单臂电桥的灵敏度(上升与下降曲线相同)(mV/g)=0.568; 半桥电桥的灵敏度(mV/g)=1.14; 全桥电桥的灵敏度(mV/g)=2.28;
六、误差分析
(1)单臂电桥的输出电压U0并不是与∆R1/R1成严格的线性关系,有非线性误差∆=
∆R1/R1
;全桥电路的输出电压U0不是与∆R1/R1成严
1+n+∆R1/R1
格的线性关系,在推导式子的过程中忽略了高阶微小量。
(2)仪器灵敏度较高,线路的松动会导致电压不稳定,读数会存在估读,从而引起了一定的误差。
(3)加上砝码后,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,应该等到读数稳定了以后再读,否则会导致读数不准确。
七、思考题
1.仔细观察单臂、半桥和全桥电路灵敏度与应变片数量之间的关系,推想三臂电路的电桥灵敏度,并通过实验验证。
答:观察得到的关系是:应变片的数量与灵敏度和单臂电桥的比值成正比,所以推想三臂电路的电桥灵敏度是单臂电桥的3倍,即三臂电路的电桥灵敏度约为1.704,经实验验证得推想正确。
2.半桥测量时,二片不同受力状态的应变片接入电桥时应放在对边还是邻边,为什么?
答:应该放在邻边。因为在邻边时,中点的电位变化才能和另外的参考点进行比较。如果不在邻边,就会出现当两个应变片都发生变化时,与它们对应电阻的电位差可能会出现0的情况。
3.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(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的完成的,有一定的滞后时间,所以会导致测量值与真实值出现一定的误差。
解决方案:a.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。
b.改变实验条件后,过一段时间再读取数据。