《傳感器技術(shù)及其應(yīng)用》第07單元 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用-稱重實驗

第7 單元

電阻應(yīng)變式

傳感器應(yīng)用--稱重實驗任務(wù)二實驗原理任務(wù)一實驗?zāi)康娜蝿?wù)三實驗步驟單元任務(wù)預(yù)覽一、實驗?zāi)康牧私怆娮钁?yīng)變片的的結(jié)構(gòu)工作原理了解電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作特點了解直流全橋電阻應(yīng)變片的工作特點及原理掌握稱重傳感模塊的原理并掌握其測量方法任務(wù)二實驗原理任務(wù)一實驗?zāi)康娜蝿?wù)三實驗步驟原理說明電阻應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的一種傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。它將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，靈敏度剛，測量速度快等諸多優(yōu)點。1.電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與原理電阻應(yīng)變片主要有金屬和半導(dǎo)體兩類，金屬應(yīng)變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。（1）電子應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)包括：1）基底2）敏感柵3）蓋層4）引線（2）電阻的應(yīng)變效應(yīng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為金屬電阻的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)圖如下原始電阻為:式中ρ——電阻絲的電阻率；L——電阻絲的長度；A——電阻絲的截面積。當電阻絲受到拉力F作用時從而引起電阻值變化量。關(guān)系可表示為：即μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應(yīng)變方向相反。K定義電阻絲的靈敏度系數(shù)（物理意義）為單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達式為：（3）應(yīng)變片的主要參數(shù)1）應(yīng)變片的電阻值2）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)3）應(yīng)變片的應(yīng)變極限4）應(yīng)變片的疲勞壽命當應(yīng)變片出現(xiàn)以下三種情形之一者，即可認為是疲勞損壞：（a）敏感柵或引線發(fā)生斷路；（b）應(yīng)變片輸出幅值變化10%；（c）應(yīng)變片輸出波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。2.電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成后，由于應(yīng)變量及其應(yīng)變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用轉(zhuǎn)換電路或儀器，把應(yīng)變片的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。根據(jù)電源的不同，電橋分直流電橋和交流電橋。直流電橋電路圖：交流電橋電路：（1）直流電橋工作原理輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為：（2）電阻應(yīng)變片的測量電橋電阻應(yīng)變式傳感器的測量直流電橋電路：受到拉應(yīng)變，電路輸出電壓為：假設(shè)一只受拉，一只受壓，且受力相等，使得應(yīng)變片的電阻變化大小也相等，即，電路的輸出電壓為：（3）應(yīng)變片直流全橋電路將4只應(yīng)變片接入電橋，且差動工作，電路構(gòu)成四臂直流電橋。當電橋四個臂的電阻發(fā)生改變而產(chǎn)生增量時，假定和臂受到拉應(yīng)變，和臂受到壓應(yīng)變，此時若四臂電阻變化相等，即,則輸出電壓為：若四臂電阻變化不等，則：3.電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)原理電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成的。（1）粘貼工藝步驟1）應(yīng)變片的檢查與選擇2）試件的表面處理3）底層處理4）貼片5)固化6)粘貼質(zhì)量檢查

7)引線焊接與組橋連線（2）測試原理在材料力學(xué)總，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：式中,F為傳感器所受的應(yīng)力；ε為其應(yīng)變量；A為其面積；E為材料的彈性模量。4.電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路在實際應(yīng)用中，四個電阻應(yīng)變片阻值不可能做到絕對相等，導(dǎo)線電阻和接觸電阻也有差異，增加補償措施使得器件結(jié)構(gòu)相對麻煩，因此電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)成的電橋在實際測量時必須調(diào)節(jié)電阻平衡。應(yīng)力和電壓的關(guān)系為：式中定義為應(yīng)力與電壓的轉(zhuǎn)變系數(shù)，K、A、E可視為常數(shù)，是直流電橋供電電壓

傳感器測量電路框圖:5.NEWLab稱重傳感模塊認識（1）稱重傳感模塊電路板認識①YZC-1b稱重傳感器；②稱重傳感器橋式電路的接口；③平衡調(diào)節(jié)電位器；④橋式電阻應(yīng)變片平衡電路；⑤信號放大模塊；⑥J1接口，測量直流電橋平衡電路輸出的正端電壓，即AD623正端輸入（3腳）電壓；⑦J2接口，測量直流電橋平衡電路輸出的負端電壓，即AD623負端輸入（2腳）電壓；⑧接地GND接口J4；⑨信號AD值接口接口J3，測試經(jīng)信號放大模塊放大后電路輸出的電壓，該電壓由AD623（6腳）輸出，經(jīng)R3和R7分壓后采集R7的電壓；信號放大電路:輸出電壓經(jīng)過分壓后作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓，即模塊中信號AD值對地電壓，它的為：信號放大的放大系數(shù)為：（2）稱重傳感模塊場景模擬界面認識任務(wù)二實驗原理任務(wù)一實驗?zāi)康娜蝿?wù)三實驗步驟1.啟動稱重傳感模塊 稱重傳感模塊工作實圖如圖（1）將NEWLab實驗硬件平臺通電并與電腦連接。（2）將稱重傳感模塊放置在NEWLab實驗平臺一個實驗?zāi)K插槽上。（3）將模式選擇調(diào)整到自動模式，按下電源開關(guān)，啟動實驗平臺，使稱重傳感模塊開始工作。（4）啟動NEWLab實驗上位機軟件平臺，選擇稱重傳感。（5）選擇硬件連接說明，上位機軟件平臺檢測硬件通過，如圖7-13所示。（6）選擇場景模擬實驗，上位機軟件測試硬件平臺的稱重