自動化檢測與儀表實驗報告
班級：姓名：
學號：指導老師
實驗一應變片單臂、半橋、全橋特性比較
一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用並掌握應變片測量電路。
二、基本原理：電阻應變式感測器是在彈性元件上通過特定工藝貼上電阻應變片來組成，一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的感測器，此類感測器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然後由電阻應變片將變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化訊號輸出。可用於能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建築測量等行業應用十分廣泛。
1、應變片的電阻應變效應
，這一物理現象稱為「電阻應變效應」。以圓柱形導體為例：設其長為：l、半徑為r、材料的電阻率為ρ時，根據電阻的定義式得
（1—1）
當導體因某種原因產生應變時，其長度l、截面積a和電阻率ρ的變化為dl、da、dρ相應的電阻變化為dr。對式（1—1）全微分得電阻變化率 dr/r為：
（1—2）
式中：dl/l為導體的軸向應變數εl; dr/r為導體的橫向應變數εr
由材料力學得： εl= - μεr (1—3)
式中：μ為材料的泊松比，大多數金屬材料的泊松比為0.3～0.5左右；負號表示兩者的變化方向相反。將式（1—3）代入式（1—2）得：
（1—4）
式（1—4）說明電阻應變效應主要取決於它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。
2、應變靈敏度
它是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量。
(1)、金屬導體的應變靈敏度k：主要取決於其幾何效應；可取
1—5）
其靈敏度係數為：
k金屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。
(2)、半導體的應變靈敏度：主要取決於其壓阻效應；dr/r<≈dρρ。半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應。
在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發生變化，這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應 。且不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減小）的壓阻效應。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。
半導體材料的電阻應變效應主要體現為壓阻效應，可正可負，與材料性質和應變方向有關，其靈敏度係數較大，一般在100到200左右。
3、貼片式應變片應用
在貼片式工藝的感測器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩定性、線性度不好而且易損壞）很少應用。一般半導體應變採用n型單晶矽為感測器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵），製成擴散型壓阻式（壓阻效應）感測器。
＊本實驗以金屬箔式應變片為研究物件。
4、箔式應變片的基本結構
應變片是在用苯酚、環氧樹脂等絕緣材料的基板上，貼上直徑為0.025mm左右的金屬絲
或金屬箔製成，如圖1—1所示。
(a) 絲式應變片b) 箔式應變片
圖1—1應變片結構圖
金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝製成的應變敏感元件，與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關係式為： δr／r＝kε 式中：
δr／r為電阻絲電阻相對變化，k為應變靈敏係數,ε=δl/l為電阻絲長度相對變化。
5、測量電路
為了將電阻應變式感測器的電阻變化轉換成電壓或電流訊號，在應用中一般採用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量範圍寬、線性度好且易實現溫度補償等優點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。
電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出訊號最小、線性、穩定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，效能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，效能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓訊號一般都採用雙臂或全橋工作。基本電路如圖1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）單臂b）半橋c）全橋
圖1—2 應變片測量電路
（a）、單臂
uo＝u①－u③
＝〔(r4＋△r4)／(r4＋△r4＋r3)－r1／(r1＋r2)〕e
＝｛〔（r1＋r2）（r4＋△r4）－r1（r3＋r4＋△r4）〕／〔（r3＋r4＋△r4）（r1＋r2）〕｝e
設r1＝r2＝r3＝r4，且△r4／r4＝δr／r＜＜1，δr／r＝kε。
則uo≈(1／4)(△r4／r4)e＝(1／4)(△r／r)e＝(1／4)kεe
(b)、雙臂(半橋)
同理:uo≈(1／2)(△r／r)e＝(1／2)kεe
(c)、全橋
同理:uo≈(△r／r)e＝kεe
6、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖
圖1—3 應變片單臂電橋實驗原理圖
圖中r1、r2、r3為350ω固定電阻，r4為應變片； w1和r組成電橋調平衡網路，供橋電源直流±4v。橋路輸出電壓uo≈(1／4)(△r4／r4)e＝(1／4)(△r／r)e＝(1／4)kεe 。
三、需用器件與單元：機頭中的應變梁的應變片、測微頭；顯示面板中的f/v表(或電壓表)、±2v～±10v步進可調直流穩壓電源；調理電路面板中感測器輸出單元中的箔式應變片、調理電路單元中的電橋、差動放大器； 4位數顯萬用表（自備）。
四、實驗步驟：
1、 在應變梁自然狀態（不受力）的情況下，用4位數顯萬用表2kω電阻檔測量所有
應變片阻值；在應變梁受力狀態（用手壓、提梁的自由端）的情況下，測應變片阻值，觀察一下應變片阻值變化情況(標有上下箭頭的4片應變片縱向受力阻值有變化；標有左右箭頭的2片應變片橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片)。
2、 差動放大器調零點：按下圖1—8示意接線。將f／v表(或電壓表)的量程切換開關
切換到2v檔，合上主、副電源開關，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉到底後再逆向迴轉一點點(放大器的增益為最大，迴轉一點點的目的：電位器觸點在根部估計會接觸不良)，調節差動放大器的調零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調節完成，關閉主電源。
圖1—8 差放調零接線圖
3、應變片單臂電橋特性實驗：
⑴將±2v～±10v步進可調直流穩壓電源切換到4v檔，將主機板上感測器輸出單元中的箔式應變片(標有上下箭頭的4片應變片中任意一片為工作片)與電橋單元中r1、r2、r3組成電橋電路，電橋的一對角接±4v直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將w1電位器、r電阻直流調節平衡網路接入電橋中(w1電位器二固定端接電橋的±4v電源端、w1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖1—9示意接線(粗細曲線為連線線)。
圖1—9 應變片單臂電橋特性實驗原理圖與接線示意圖
⑵檢查接線無誤後合上主電源開關，當機頭上應變梁自由端的測微頭離開自由端（梁處
於自然狀態，圖1—7機頭所示）時調節電橋的直流調節平衡網路w1電位器，使電壓表顯示為0或接近0。
⑶在測微頭吸合梁的自由端前調節測微頭的微分筒，使測微頭的讀數為10mm左右（測微頭微分筒的0刻度線與測微頭軸套的10mm刻度線對準）；再鬆開測微頭支架軸套的緊固螺釘，調節測微頭支架高度使梁吸合後進一步調節支架高度，同時觀察電壓表顯示絕對值盡量為最小時固定測微頭支架高度（擰緊緊固螺釘，圖1—9機頭所示）。仔細微調測微頭的微分筒使電壓表顯示值為0（梁不受力處於自然狀態），這時的測微頭刻度線位置作為梁位移的相對0位位移點。首先確定某個方向位移，以後每調節測微頭的微分筒一周產生0.
5mm位移，根據表1位移資料依次增加0.5mm並讀取相應的電壓值填入表1中；然後反方向調節測微頭的微分筒使電壓表顯示0v（這時測微頭微分筒的刻度線不在原來的0位位移點位置上，是由於測微頭存在機械回程差，以電壓表的0v為標準作為0位位移點並取固定的相對位移δx消除了機械回程差），再根據表1位移資料依次反方向增加0.5mm並讀取相應的電壓值填入表1中。
＊注：調節測微頭要仔細，微分筒每轉一周δx=0.5mm；如調節過量再**，則產生回程差。
表1 應變片單臂電橋特性實驗資料：
⑷根據表1資料畫出實驗曲線並計算靈敏度s＝δv/δx（δv輸出電壓變化量，δx位移變化量）和非線性誤差δ(用最小二乘法)，δ=δm/yfs ×100％式中δm為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yfs滿量程輸出平均值，此處為相對總位移量。實驗完畢，關閉電源。
五、應變片全橋特性實驗步驟：
除實驗接線按圖1—10示意接線，四片應變片組成電橋電路外，實驗步驟和實驗資料處理方法與單臂電橋特性實驗完全相同。實驗完畢，關閉電源。
圖1—10 應變片全橋特性實驗原理圖與接線示意圖
表1 應變片全橋電橋特性實驗資料：
六、資料分析：
實驗資料**如下：
單臂：uo≈(1／4)(△r4／r4)e＝(1／4)(△r／r)e＝(1／4)kεe
同理，全橋:uo≈(△r／r)e＝kεe
由圖表知：全橋輸出電壓是單臂輸出電壓的4倍。
實驗二差動變壓器測位移實驗
一、實驗目的：了解差動變壓器測位移時的應用方法
二、基本原理：
差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。差動變壓器的結構如圖2—1所示，由乙個一次繞組1和二個二次繞組2、3及乙個銜鐵4組成。差動變壓器
一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由於把二個二次繞組反向串接（同名端相接），以差動電勢輸出，所以把這種感測器稱為差動變壓器式電感感測器，通常簡稱差動變壓器。
檢測技術實驗指導書
指導書湖南工學院電氣與資訊工程系 實驗一 金屬箔式應變片 單臂 半橋 全橋比較 一 實驗目的 驗證單臂 半橋 全橋的效能及相互之間的特點及關係。二 實驗所需裝置 1 直流穩壓電源 開關打到4v 2 差動放大器 旋鈕到增益最大 3 平衡電橋 4 f v表 開關撥到20v 5 測微頭 6 雙單引梁 7 ...
無損檢測實驗指導書
高等學校電工電子實驗系列 電工電子實驗中心 實驗指導書 無損測試技術實驗指導書 主編索緒洲 攀枝花學院電氣資訊工程學院 電工電子實驗中心 二 一三年九月 一 實驗目的 1 了解a型超聲波探傷儀的簡單工作原理。2 掌握a型超聲波探傷儀的使用方法。3 掌握水平線性 垂直線性和動態範圍等主要效能的測試方法...
檢測技術實驗指導書 改
電氣工程學院 檢測技術 實驗指導書 陳湘萍編寫 適用專業 測控技術與儀器 貴州大學 二oo 四年六月 前言本課程主要介紹測試系統靜態 動態特性的描述方法 測試訊號的構造 選用和資料的分析利用 以及長度 線位移 角度 角位移 速度 轉速 加速度 力 力矩 壓力 機械振動 溫度 流量等參量測量的基本內容...