應(yīng)變片實驗報告-金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗

1、實 驗 報 告（傳感器原理及工程應(yīng)用）課程名稱： 傳感器原理及工程應(yīng)用 專業(yè)班級： 電子1412 學(xué)生姓名： 孫瑋 盛建東 張昱 所屬院部： 電子與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 王儉 2016 2017 學(xué)年 第 2 學(xué)期金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實驗一、 測量電路原理分析應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒炈褂玫脑黼娐啡鐖D1所示。該電路主要由單臂直流電橋電路和由四運放組成的放大電路構(gòu)成。單臂直流電橋電路中的R2為應(yīng)變片，R6的作用是調(diào)零，將電橋兩端調(diào)節(jié)平衡，使得電橋輸出端初始狀態(tài)下為零。其輸出的差值電壓為V=kR2R2Vi(1)上式中，k為一個和R3、R4和R5有關(guān)的一個值。對于放大電路，設(shè)放大電路兩個輸入端

2、電壓分別為Vi1和Vi2，IC4負輸入端電壓為VREF，且R11和R10相等，R12和R13相等，則可以推導(dǎo)出Vo的表達式為Vo=1+R15R14VREF+R15R14R12R10R9+R8+R7R7(Vi1-Vi2)(2)由上式可知，該電路可以通過調(diào)節(jié)R16以改變VREF實現(xiàn)較零，通過調(diào)節(jié)R7來改變放大的倍數(shù)。圖1二、 實驗具體步驟 如圖2所示，實驗?zāi)０逯械腞1,R2,R3,R4為應(yīng)變片，沒有文字標(biāo)記的5個電阻符號下面是空的。根據(jù)圖2所示，應(yīng)變式傳感器裝于應(yīng)變器傳感器模塊上，傳感器中4片應(yīng)變片和加熱電阻連接在實驗?zāi)０遄笊戏降腞1,R2,R3,R4和加熱器上，傳感器左下角應(yīng)變片為R1；右下角為

3、R2；右上角為R3；左上角為R4。當(dāng)傳感器托盤支點受壓時，R1,R3阻值增加，R2,R4阻值減小，可用四位半數(shù)顯萬用表進行測量判別，常態(tài)時應(yīng)變片阻滯為350，加熱絲電阻為50左右。先根據(jù)圖2安裝接線，然后將圖2實驗?zāi)０迳戏糯笃鞯膬奢斎攵丝谝€暫時脫開，再用導(dǎo)線將兩輸入端短接（Vi=0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置；將主機箱電壓表的量程切換開關(guān)打到2V檔，合上主機箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)實驗?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。接下來，拆去放大器輸入端口的短接線，將暫時脫開的引線復(fù)原。調(diào)節(jié)實驗?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機箱電壓表顯示為零；在應(yīng)變傳感器的托盤上放置一只砝碼

4、，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完。最后記錄實驗結(jié)果。圖2三、 實驗數(shù)據(jù)分析表1為每次增加一個砝碼（每個砝碼為20g）以及加滿10個砝碼后逐個撤去時測量的數(shù)據(jù)。表2、表3為每次增加2個和3個砝碼以及撤去時測量數(shù)據(jù)。重量(g)020406080100120140160180200電壓(V)0.0000.0030.0070.0110.0140.0180.0220.0250.0290.0320.036電壓(V)0.0010.0040.0080.0110.0150.0180.0210.0260.0290.0330.036表1 實測數(shù)據(jù)根據(jù)表1計算得系統(tǒng)靈敏度為：S

5、=UW=0.00018 V/g(3)根據(jù)式（1）和式（2）可知，理想狀態(tài)下，重量與輸出電壓的關(guān)系曲線應(yīng)該為一條固定斜率且過原點的直線。我們可以將圖中最大值和最小值的連線設(shè)為理想線段，其斜率即為式（3）中所算的靈敏度S的值，理想線段數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)繪制理想值與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，其如圖3所示。從圖中可以看出實際測量值和理想值之間誤差較小，誤差均值為0.V。此外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計算得到非線性誤差為：=myFS100%1.67%(4)上式中m為輸出值與理想線段的最大誤差，yFS為滿量程輸出平均值，此處為200g。重量(g)020406080100120140160180200電

6、壓(mV)03.67.210.814.418.021.625.228.832.436.0表2 理想線段數(shù)據(jù)圖3 理想值與實測數(shù)據(jù)的對比圖根據(jù)測量值可以計算出線性趨勢線，得到其表達式為：y= x*0.-0.(5)線性趨勢線是適用于簡單線性數(shù)據(jù)集的最佳擬合直線，本次實驗數(shù)據(jù)符合該特性，因此選擇線性趨勢線，其數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)表1和表3的數(shù)據(jù)繪制趨勢線與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，其如圖3所示。從圖中可以看出，兩者的差值的平均值為0.V，此時差值與圖3中差值接近。此外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以計算得到非線性誤差為：=myFS100%1.32%(6)從上面的計算結(jié)果可以看出，測量值與趨勢線之間的非線性誤差要好于測量

7、值與理想曲線的非線性誤差。重量(g)020406080100120140160180200電壓(mV)-0.183.4367.05410.6714.2917.9121.5325.1428.7632.3836.00表3 趨勢線數(shù)據(jù)圖4 趨勢線與實測數(shù)據(jù)的對比圖圖5為將砝碼拿下時測量的值和理想值的對比圖。從圖中可以看出砝碼拿下時，與理想值的差值較圖3中要大，差值的均值為0.V，但仍近似滿足理想線段。其非線性誤差為：=myFS100%2.78%(7)圖5 砝碼拿下時測量值和理想值的對比圖圖6為將砝碼拿下時測量的值和趨勢線的對比圖。從圖中可以看出砝碼拿下時，其與趨勢線的差值的均值為0.V，相對于與理想

8、線段對比的差值要大。其非線性誤差為：=myFS100%3.28%(8)同樣，由上面的結(jié)果也可以看出，與趨勢線的線性誤差要大于與理想線段對比。因此從上述數(shù)據(jù)可以看出，理想曲線更加接近測量值，且理想曲線也線性和過零點的條件。圖6 砝碼拿下時測量值和趨勢線的對比圖四、 實驗遇到的問題及誤差原因分析對于上述出現(xiàn)的全部誤差及實驗過程中出現(xiàn)的情況分析如下：（1） 應(yīng)變片反應(yīng)不靈敏或電路預(yù)熱不完全。實驗中我們先用R1進行了測量，但發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)量變化十分小，有時增加好幾個砝碼數(shù)值都不發(fā)生變化。之后我們換了R2進行實驗，發(fā)現(xiàn)此時測的數(shù)據(jù)比較好，有明顯變化且呈線性。（2） 調(diào)零時不夠準(zhǔn)確。因為滑動變阻器阻值較大，調(diào)零時讀數(shù)會波動很大，且調(diào)零后較容易受外界干擾。（3） 桌面晃動，儀器不水平。測量能明顯感覺到，如有同學(xué)拍一下或動桌子，數(shù)值會發(fā)生明顯變化。因此我們總共測了四次，我們從其中選擇了最為穩(wěn)定的進行分析。（4） 移動砝碼時必須做到輕拿輕放，如果動作過大或者一瞬間加的砝碼數(shù)量較多時，將會會導(dǎo)致應(yīng)變片發(fā)生過形變，導(dǎo)致讀數(shù)數(shù)值偏大。（5） 支架松動。實驗設(shè)備支架最初松動的較為厲害，稍微一動讀數(shù)就上升