交流全桥的应用——振动测量实验

1 第十二部分 传感器技术 0 预备知识 传感器在机电一体化系统乃至整个现代科学技术领域占有极其重要的地位， 当今信息时 代，如果没有传感器，现代科学技术将无法发展。为了适应这一时代发展的需要，全国各大 中专院校及各类职业技术学校都相继将传感器及实验教学纳入教学任务，作为物理、电子、 测控以及自动化类专业的一门必修课。 传感器是机电一体化中各种设备和装置的“感觉器官” ，是检测系统的第一个环节。它 以一定的精度把被测量（各种各样形态各异的信息量）转换成与之有确定关系的、便于应用 的某种量值的测量装置。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出 去。根据传感器的功能特点，一般由三部分组成敏感元件、转换元件、测量电路。 敏感元件能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件。如金属或半导体应变片，能感受 压力的大小而引起形变， 形变程度就是对压力大小的响应。 铂电阻能感受温度的升降而改变 其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件，而金属或 半导体应变片，就是一种压力敏感元件。 转换元件 将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。 如果敏感元件本身就能直 接将被测量变成电路参数， 那么， 该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。 如热敏电阻， 它不仅能直接感受温度的变化， 而且能将温度变化转换成电阻的变化， 也就是将非电路参数 （温度）直接变成了电路参数（电阻） 。 测量电路将转换元件转换的电学量进行测量的电路。 传感器的种类较多， 根据被测物理量可分为 速度传感器、 位移传感器、 加速度传感器、 温度传感器、压力传感器、光纤传感器等。根据工作原理分为应变式、电压式、电容式、 涡流式、差动变压器式等。根据能量的传递方式分为有源的和无源的传感器。 了解和掌握一定的传感器技术对每个科技工作者来说是十分必要的。 本部分内容通过两 个实验的实际应用，使学生对传感器有一个初步了解 实验仅通过金属箔式电阻应变片的一种实际应用而使学生对传感器有一个初步了解。 实验一 用金属箔式电阻应变片作交流全桥的应用 振动测量实验 一、实验目的 1.了解金属箔式电阻应变片的结构和工作原理； 2.熟悉非平衡电桥的输出灵敏度特性； 3.掌握利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。 二、实验内容 1 ．金属箔式电阻应变片的结构和工作原理 应变式电阻传感器的核心元件是电阻应变计， 它能将机械物件上的应变的变化转换成电 阻值的变化。 通过对电阻值变化量的测量即可得知机械构件的应变情况， 从而可以求出引起 该变化的物理量的大小。其构造简图如图 12-1 所示。排成网状的高阻金属丝，栅状金属箔 2 或半导体片构成的敏感栅，用合适的粘合剂贴在绝缘的基片 2 上，敏感栅上贴有保护片 3， 栅丝较细，一般为 0.0150.06mm（或厚度为 0.0030.010mm 的金属箔）。其两端焊有较粗 （0.10.2mm）的低阻铜丝 4 作为与电路相连的引线。 图 12-1 电阻丝应变片结构示意图 1 、电阻丝 2、基片 3、覆盖层 4、引出线 使用时，选择合适的粘合剂将应变计贴在被测试件表面。试件形变引起敏感栅变形，于 是其阻值发生变化， 通过测量电路可将敏感栅的阻值变化转换为电压或电流的变化。 如果将 二片相同的应变计粘贴在平行梁上同一位置的正、 反两面， 则该平行梁形变所引起的二片应 变计的电阻变化刚好相反，即 △R 上- △R 下 对于一根长为 L ，截面积为 S （直径为 d ） ，电阻率为ρ 的金属丝，其电阻 R 为 S L R 两边取对数，再微分得 S dS L dLd R dR    将 Sπ .d 2/4 代入上式，并将微分写成增量式。 d d L L R R       2   由材料力学知，在弹性范围内金属丝沿长度方向伸长时，横向尺寸缩小，反之亦然。即 纵向应变ε x 与径向应变εr 存在下列关系ε r－μ .εx μ 为材料的泊松比。设 x L L   r d d               x xx R R 21 2 由此可见， 电阻丝的电阻变化由两部分组成 第一部分是材料的几何形变引起， 即应变效应； 第二部分是电阻率的变化引起的，即压阻效应。对金属材料而言，应变效应是主要的，其灵 3 敏度 K012μ ≈1.52.0。对于半导体材料，压阻效应是主要的，在制造工艺虽然比金属复 杂，但灵敏度比金属约大 50100 倍，甚至可以不用放大器而直接由电压表或示波器显示测 量结果。对于金属材料，上式可进一步写成[1] xS K R R   式中，KS对某一种金属材料在一定应变范围内为一常数，可见，金属材料电阻值的相对变 化在一定范围内与应变成正比。 由于应变片电阻的阻值受环境温度的影响较大， 在实际应用中要采用适当的方法对温度 引起的误差进行补偿。 通常因温度变化而引起应变片阻值变化的主要因素有两个 一是应变 片的电阻丝具有一定的温度系数；二是电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 2．电阻应变式传感器的转换电路 在电阻应变式传感器中，应变计是敏感元件，它将应变量ε x 转换成电阻的相对变化 ， 该量要经转换元件转换成电学量后， 再由测量电路进行测量。 电桥就是一种常用的转换测量 电路，其基本形式如下 图 12-3 电桥电路 图 12-4 全桥差动电路 由图 12-3 电桥电路中，根据戴维南定理可算出输出电压 UO为 E U RR R RR R U     43 3 21 2 0 在预平衡状态下（即 UO0） ，各臂电阻满足 R1*R3R2*R4。 通常电阻应变片的检测电路采用非平衡电桥，由非平衡电桥电路的特性可知在采用全 桥差动输入的情况下，其输出电压最大，且与电阻的变化成正比， （设Δ R1Δ R2Δ R3Δ R4Δ R）还可以起到温度补偿的作用。 E U R R U   1 0 3.实验原理 全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边。已知单 全桥电路的∑R分别为4 R R  。根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于 4 1 4 O EKu U ， 于是对应全桥的电压灵敏度为EKu。 由此可知， 当 E 和电阻相对变化一定时， 电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。 从而灵敏度提高了， 非线性误差和温度误差均 得到改善。 此外，实验中将交流应变信号用交流电桥来测量，桥路输出的波形为一调制波，不能直 接显示其应变值，只有通过移相、相敏检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号 可以从示波器或用交流电压表读得。 三、实验仪器 该实验是在 ZY13Sens12SB型传感器技术实验台上进行的。 1. ZY13Sens12SB型传感器实验台 ZY13Sens12SB型传感器实验台主要由音频振荡器、低频振荡器、应变式传感器实验模 板、相敏检波器模板、振动源、三源板上等组成。实验台的结构及面板示意图如图 12-5所 示