实验三十六金属箔式应变实验.docx
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实验三十六金属箔式应变实验
实验三十六金属箔式应变实验
练习一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应,单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理:
金属丝在外力作用下发生机械形变时,其电阻值会发生变化,这就是金属的电阻应变效应。
金属的电阻表达式为:
(1)
当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时,将伸长
,横截面积相应减小
,电阻率因晶格变化等因素的影响而改变
,故引起电阻值变化
。
对式
(1)全微分,并用相对变化量来表示,则有:
(2)
式中的
为电阻丝的轴向应变,用ε表示,常用单位
(1
=1×
)。
若径向应变为
,电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比
表示为
,因为
=2(
),则
(2)式可以写成:
(3)
式(3)为“应变效应”的表达式。
称金属电阻的灵敏系数,从式(3)可见,
受两个因素影响,一个是(1+
),它是材料的几何尺寸变化引起的,另一个是
,是材料的电阻率
随应变引起的(称“压阻效应”)。
对于金属材料而言,以前者为主,则
,对半导体,
值主要是由电阻率相对变化所决定。
实验也表明,在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化与轴向应变成比例。
通常金属丝的灵敏系数
=2左右。
用应变片测量受力时,将应变片粘贴于被测对象表面上。
在外力作用下,被测对象表面产生微小机械变形时,应变片敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化。
通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化,根据(3)式,可以得到被测对象的应变值ε,而根据应力应变关系
(4)
式中σ——测试的应力;
E——材料弹性模量。
可以测得应力值σ。
通过弹性敏感元件,将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变,因此可以用应变片测量上述各量,从而做成各种应变式传感器。
电阻应变片可分为金属丝式应变片,金属箔式应变片,金属薄膜应变片。
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表(自备)。
四、实验内容与步骤:
1、应变片的安装位置如图
(1)所示,应变式传感器已装到应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
可用万用表进行测量,R1=R2=R3=R4=350Ω。
图1应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置,再进行差动放大器调零,方法为:
将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器Rw3,使数显表显示为零,(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源。
(注意:
当Rw2的位置一旦确定,就不能改变。
)
图2应变式传感器单臂电桥实验接线图
3、按图2将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥,R5、R6、R7模块内已接好,接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源±5V,此时应将±5V地与±15V地短接(因为不共地)如图2所示。
检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节Rw1,使数显表显示为零。
4、在砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值,直到200g砝码加完。
记下实验结果填入表1,关闭电源。
表1单臂电桥输出电压与所加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
5、根据表1计算系统灵敏度
(
输出电压的变化量,
重量变化量)和非线性误差δf1=Δm/yFS×100%式中
(多次测量时为平均值)为输出值与拟合直线的最大偏差:
yFS满量程输出平均值,此处为200g.
五、实验注意事项:
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V,否则可能烧毁应变片。
六、思考题:
1、单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:
(1)正(受拉)应变片
(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。
七、实验报告要求:
1记录实验数据,并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。
2从理论上分析产生非线性误差的原因。
练习二金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的:
1、了解半桥的工作原理。
2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、基本原理:
把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善。
当应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压UO2=EGε/2。
式中E为电桥供电电压。
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤:
图1应变式传感器半桥实验接线图
1、接入模板电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,进行差动放大器调零,方法为:
将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连,调节实验模板上调零电位器Rw3,使数显表显示为零,(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源。
2、根据图1接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片,注意R2应和R1受力状态相反,即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源±5V,调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零,重复实验一中的步骤4、5,将实验数据记入表1,计算灵敏度
,非线性误差
。
若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。
则应更换应变片。
表1半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mV)
五、实验注意事项:
图1应变式传感器全桥实验接线图
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V,否则可能烧毁应变片。
六、思考题:
1半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在:
(1)对边
(2)邻边。
2桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差,是因为:
(1)电桥测量原理上存在非线性
(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。
七、实验报告要求:
1、记录实验数据,并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。
2、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍,而且非线性误差也得到改善。
练习三金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的:
了解全桥测量电路的原理及优点。
二、基本原理:
全桥测量电路中,将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边,当应变片初始阻值:
R1=R2=R3=R4,其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,其桥路输出电压U03=KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍,非线性误差和温度误差均得到明显改善。
三、需用器件和单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤:
1、根据1接线,实验方法与实验二相同。
将实验结果填入表1;进行灵敏度和非线性误差计算。
表1全桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mV)
五、实验注意事项:
图2应变式传感器受拉时传感器周面展开图
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V。
六、思考题:
1、全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)值R相同时,即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥:
(1)可以
(2)不可以。
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片,如何利用这四片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻。
七、实验报告要求:
1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。
2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,并从理论上加以分析比较,得出相应的结论。
练习四直流全桥的应用——电子秤实验
一、实验目的:
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理:
电子秤实验原理为实验三,利用全桥测量原理,通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始的电子秤。
三、需用器件和单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤:
1、按练习一中2的步骤,将差动放大器调零,按图1全桥接线,合上主控箱电源开关,调节电桥平衡电位器Rw1,使数显表显示0.000V(2V档)。
—0.200V。
3、拿去托盘上的所有砝码,调节电位器Rw1(零位调节)使数显表显示为0.000V。
4、重复2、3步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量纲V改为重量量纲g,就可以称重,成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上,填入下表1。
表1电桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
1、根据上表,计算误差与非线性误差。
五、实验注意事项:
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V。
六、实验报告要求:
1、记录实验数据,绘制传感器的特性曲线。
2、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大,怎么消除,若要增加输出灵敏度,应采取哪些措施。
附录1实验箱温度控制简要原理
当总电源开关合上,并且温度控制器的开关也闭合时,如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值,那么温度控制器面板上ALM2灯亮(ALM2为一继电器的常开触点,恒流源是与这个常开触点串联的),内部继电器闭合,温度模块开始加热,加热电源为1A恒流源,当温度加热到略高与设定温度值时,ALM2灯灭,内部继电器断开,温度模块停止加热,但由于温度的惯性比较大,因此当温度模块停止加热后,仍有一定的向上的冲量。
附录2温度控制器使用说明
1、仪表通电显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗输入代码,后显示PV窗量程上限、SV窗量程下限(N型显示PV窗Jd—0—5、SV窗2003),随后即进入工作状态,其中PV显示的为测量的温度值,SV显示的为设定的温度值,当SV的值大于PV的值时ALM2灯亮,恒流源有输出,当PV的值大于SV的值时,ALM1灯亮,恒流源无输出,按SET键0.5秒SV显示窗闪烁,此时可改变设定值,再按SET键0.5秒确认,如需要修改其他参数,必须按住SET键大于3秒,即进入B菜单,可按要求逐一修改内容(见操作流程表),修改完毕再按SET键0.5秒若干下,退出菜单,如15秒内无键按下(该窗内新设置的数据无效)自动进入新的工作状态。
2、当输入信号大于量程上限时,仪表显示―――,当输入信号小于超出量程下限10%以上时,仪表仍显示―――,并切断主控输出;当输入信号略小于量程下限时,仪表显示―――。
3、当温度控制效果不够理想时,可以通过人工后自整定来改变PID参数。
操作方法如下:
①人工修正:
将仪表进入B菜单至P窗,再用温度控制器下面的三个箭号键来修正P值,再按SET0.5S进入I窗,I、d、T的修正方法同上,然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态,即开始新的PID参数。
②自整定修正:
先把主控设定再实际使用值后实用值的80%左右,再将仪表进入B菜单至ATU窗后选择
(1)选号按SET键确认后仪表即进入自整定状态,同时AT灯亮,带自整定完成AT灯灭仪表即按新的自整定PID参数工作。
用自整定修正PID值时应该注意当负载为多段串联加热方式(如挤出机械),其中某段进入自整定过程时,应尽量保持相邻前后二段的温度不变,否则会影响自整定效果。
4、PID参数的设置原则:
P—比例带设定,一般取上过冲值的2倍,当温度有规律波动(系统振荡)应增加比例带,当温度无规律漂动时,应减少比例带。
I—积分时间设定,当温度有规律波动时,应增加积分时间,当温度很长时间不能消除静差时应减少积分时间。
D—微分时间设定,一般取积分时间的1/5—1/4,微分时间的增加有助于减少系统的超调。
5、PID控制与位式控制功能的切换方法:
若需把仪表切换成位式控制(常规仪表出厂设置为PID控制),正常工作状态仪表按住SET键3S以上进入B菜单后,再按SET键0.5S若干下至P窗,把P设为0后按SET键若干下至T窗,把T设为1即进入位式控制,其控温范围(切换差)可通过该变dp值来实现,位式控制时的dp值举例:
SV=
时,设dp=
,则实际输出控制范围为87.5~
。
若需返回至PID控制时,把P、T、dp值还原即可。
PID控制适用于高精度控温场合,系统配置稳定合理可达到±1个字精度;位式控制适用于控制某一段范围内的温度。
6、限制功能,如仪表为连续电流或电压控制及输出时为限幅;如仪表时断续通断式输出时为限制输出通断时间比例关系,也就是周期(T)内最长导通时间的百分比。
7、失常请检查仪表参数是否被误修改,传感器部分是否失效。
按键不起作用,请检查LCK键是否被锁定。
8、各参数功能:
面板功能:
SET:
功能键;PV:
当前测量值;SV:
主控设定值;OUT:
主控输出指示
ALM1:
ALM1报警输出指示;ALM2:
ALM2报警输出指示;AT:
自整定指示
向左箭号:
移位键;向下箭号:
减键;向上箭号:
加键
参数
常规
设定范围
AH
随机
±全量程
AL
随机
±全量程
ATU
0
0自整定关
1自整定开
dp
0.1~125
P
40(位式0)
0~125
I
200
1~3600S
d.
50
1~1200S
T
20(位式1)
1~60S
SC
0
±
dT
0/1
0~3
UP
100%
30~100%
HC
1
1正向(加热)
0反向(制冷)
LCK
0
0
不锁
2
全锁
其他
锁B菜单
附录:
THQC-1型典型传感元件使用说明书
一组成和使用
1、实验箱的供电
实验箱的后方设有带保险丝管(2A)的220V单相电源插座,另配有三芯插头电源线一根。
箱内设有两个变压器,为实验板提供多组低压交流电源。
2、一块大型(430mm×320mm)单面敷铜印刷线路板,上面可放置各种传感器模块,配有各种电源、仪表及其他元器件。
3、实验箱配有以下几个模块:
霍尔传感器实验模块,差动变压器实验模块,电容式传感器实验模块,温度传感器实验模块,应变式传感器实验模块,光电模块,其中温度传感器实验模块包括Pt100温度传感器,AD590集成温度传感器,NTC、PTC热敏电阻。
光电模块包括光敏电阻和光电二极管两种传感元件。
4、直流稳压电源
提供±15V/0.3A,±5V/0.3A四路直流稳压电压。
5、音频信号发生器:
频率范围:
1K—10K,正相和反相同时输出,输出幅度7V。
6、频率计:
1Hz~10KHz。
7、温度控制器:
测量范围:
8、两组恒流源:
0~20mA:
光电模块中发光二极管的电源,1A:
温度模块中加热器的电源。
9、本实验箱还提供有足够的长短不一的实验专用连接导线一套。
二实验内容
本实验提供的实验项目如下:
(1)金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
(2)金属箔式应变片――半桥性能实验
(3)金属箔式应变片――全桥性能实验
(4)金属箔式应变片――电子秤实验
(5)差动变压器的性能测定
(6)激励频率对差动变压器特性的影响
(7)差动变压器零点残余电压测定
(8)电容式传感器的位移特性
(9)霍尔式传感器的位移特性――直流激励
(10)集成温度传感器的特性
(11)Pt100热电阻测温实验
(12)热敏电阻的特性研究
(13)光电二极管和光敏电阻的特性研究
三使用注意事项
1.使用前应检查各电源是否正常,检查步骤为:
(1)先关闭实验箱的所有电源开关,然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的220V交流电源。
(2)开启实验箱上的电源总开关,指示灯亮。
(3)用万用表的直流电压档测量面板上的±15V、±5V,是否正常。
2.接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。
3.实验接线前必须先断开总电源及各路分电源开关,严禁带电接线。
接线完毕,检查无误后,才可进行实验。
4.在做霍尔传感器实验、差动变压器实验、电传感器实验的时候,注意三根连接导线不要插错,在连接线的黑色插头端贴有各种传感器的标签。
注意与所做的实验相对应。
4.实验自始至终,实验板上要保持清洁,不可随意放置杂物,特别是导电工具和多余的导线等,以免发生短路等故障。
5.实验完毕,应及时关闭各电源开关,并及时清理实验板,整理好连接导线并放置到规定的位置。
6.实验时需用到外部交流供电的仪器,如示波器等,这些仪器的外壳应妥善接地。
7.由于各种传感器为有机玻璃封装,极易破碎,所以应该轻拿轻放,决不可以掉到地上,否则将损坏传感器。