基于电阻应变式传感器实验内容的设计优化

2005年9月出版

大　学　物　理　实　验　

PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGE

Vol.18No.3Sep.

2005

文章编号:1007-2934(2005)03-0014-03

基于电阻应变式传感器实验内容的设计优化

许　磊

(华北水利水电学院,郑州,450011)

摘　要　本文结合教学实践介绍电阻应变式传感器实验内容的优化设计,并谈了自己在改进时的目的和体会。关键词　物理实验;电阻应变式传感器;电桥;优化设计中图分类号:O4321.1　　　　文献标识码:A

1　引言

随着实验教学进一步深化改革,如何使大学物理实验课与迅速发展的现代化科学技术相适应,与社会生产实际接轨,是一个应受广大基础物理实验工作者重视的问题。传感技术是目前被人们广泛关注的一项现代技术。近年来,众多高校都在大学物理实验内容中引入了传感器实验内容,但由于大多低年级大学生对传感器认识模糊及某些传感器实

验内容需要相关知识背景,造成学生不能在既定时间完成,致使敷衍完成,无法实现教学目的,偏离了引入新实验的初衷。本文结合作者所在学校大学物理实验教材和教学实践,谈谈自己在优化电阻应变式传感器实验内容方面的体会。2　内容

211　实验原理简介

电阻应变式传感器是利用电阻应变片随着它所受的机械形变的大小引起自身阻值的微小变化这一特性来进行工作的,工程中常把应变片通过粘合剂粘贴于弹性体(应变梁)上,通过弹性体的形变带动应变片的形变,见示意图1。应变片形变的电阻变化的信号是通过充当电桥电路某一臂转化为电压信号,由差动放大器放入输出到数字电压表显示出来,见工作原理示意图2。常用的应变片材料有金属和半导体,都具有工作过程中外界温度变化也会影响自身阻值的变化,这一外界温度变化带来的阻值变化的信号就会叠加在形变带来的阻值变化的信号,造成电阻应变式传感器输出信号的复杂性,外界温度变化带来的阻值变化的信号为干扰信号,称为温漂。通过某种方法屏蔽掉外界温度变化带来的阻值变化的干扰信号,保留形变带来的阻值变化的信号,这在传感器实际应用中相当重

收稿日期:2005-02-20

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要,这种技术称为补偿技术。本实验采用桥路补偿,即通过电桥中两臂都采用同样的应变片,温度变化会产生同样的电阻变化,从而使电桥输出信号只是形变产生的信号。由于半导体温漂很明显,实验中可观测半导体应变片传感器的温漂和补偿效果。

图1　应变梁示意图　　　　　　图2　传感器原理示意图212　实验内容简介

教材中实验内容分为三部分。(一)通过测微头改变应变梁位置,对金属应变片传感

器的位移性能进行标定,做出位移和电压的关系曲线,确定线形范围和灵敏度;(二)在不施加形变情况下,通过改变应变梁温度模拟外界温度变化,计算半导体应变片传感器的温漂,室温提供,末温由势电偶测得热电势查表;(三)同样情况下,电桥上两臂都采用半导体应变片,计算补偿后的温漂,室温提供,末温由势电偶测得热电势查表,比较两次温漂值。具体内容见文献[1]。213　优化方案

实验内容总体分为两部分。第一部分,金属应变片传感器的性能标定。在确定线形范围及灵敏度的基础上,提供一标准重物(质量已知),测未知重物质量,如橡皮、钢笔等。第二部分,把原第二和第三部分整合为一部分内容为半导体应变片传感器的温漂及补偿效果,即取消用热电偶定量测量热电势查表计算温度内容,定性比较两次电压漂移值,得出补偿效果。

214　优化的目的和效果

由于学生对传感器认识模糊,缺乏对传感器实验更深入的思考,不知为何要确定线形范围。增加测量重物内容,使学生对传感器性能标定有了更为直观的理解,利于启迪学生对传感器应用的思考。

半导体应变片传感器的温漂及补偿效果实验内容的整合,是突出电阻应变式传感器实验内容的物理思想,相对合理降低实验难度。在原实验内容安排下,大部分学生很难在既定学时内完成,尤其对半导体应变片部分内容的实验目的非常糊涂,其主要原因,多数学生首次接触用热电偶测温,学生对引人热电偶测量的热电势值和传感器电路的电压漂移值易混淆,从而影响到对实验内容的理解。如此整合,也是合理的。单应变片和补偿两次实验间隔一定时间基于的初始温度都为室温,可认为不变。升温采用的小功率的电阻丝加热,如图1所示,刚开始应变片温度上升很快,一段时间后应变梁散热和电阻加热器放热达到平衡,整个应变梁温度恒定,可以认为两次加热后的温度一样,从而两次温度改变量一样,就可以通过比较两次电压值的变化来比较补偿的效果。经过多次实验测量,正如上面所分析的,整合以后,学生对实验内容的物理思想极其清楚,很好地理解温漂及其补偿。

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参　考　文　献

[1]　邱淑荣、王素红、文立军1大学物理实验教程[M]1河南:科学技术出版社,1999[2]　周胜海、黄学玉1大学物理实验中传感器设计[J]1大学物理实验,1998

[3]　程丽红、张映辉1浅谈传感器和微机在物理实验中的应用[J]1大学物理实验,2004

[4]　黄继昌、徐巧鱼、张海贵等主编1传感器工作原理及应用实例[M]1北京:人民邮电出版社,1998

OPTIMIZINGDESIGNOFEXPERIMENTALCONTEXTBASEDON

RESISTANCESTRAINTRANSDUCER

XuLei

(NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,ZhenZhou,450011)

Abstract:Thetextintroducestheoptimizingdesignofexperimentalcontextbasedonresistancestraintransducerwithteachingpractice.Theauthorexpressestheintentionofdesignandhiscomprehension.Keywords:physicsexperiment;resistancestraintransducer;electricbridge;optimizingdesign

(上接13页)

特别是从事实验工作的同志,共同努力,把“用电位差计测量电源电动势的实验方法、实验技术,提高到一个崭新的水平上。

THEOFHOWTOIMPROVETHEFINENESSANDSAFETYOF

MEASURINGPOWERELECTROMOTIVEFORCE

WangXinlan

(HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,430074)

Abseract:Byusinginferenceandexperimentalfacts,thepaperprovestheoutstandingmeritsofapplyingamegameterpressurecheckertoreplaceasensitivegalvanometertobethenullindicator.Theexperimenthasthepracticalityvalue.Itisagreatimprovementoftheotherlestsordefections.Keywords:

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