实验四 拉压力传感器设计与制作

实验四拉压力传感器设计与制作

一、实验目的：

1、了解应变式空心圆筒测力仪的测力原理及制作方法。

2、制作拉压力传感器并给出标定曲线、标定值。

3、利用逐级增加或减少荷载，绘制应变片的机械滞后曲线。

二、实验仪器及装置：

1、静态应变测量处理仪1台、

2、圆筒一个、砝码若干，90°电阻应变花2个，万用表及电烙铁、焊锡、游标卡尺等。

三、实验原理：

总结传感器的力学实物模型、工作原理，撰写实验步骤。传感器的力学实物模型如图1：

图1 传感器的力学实物模型

小组设计的贴片方案如图2：

在圆筒外表面一端的中间处粘贴二轴90度应变花R1、R2，在对称另一端也粘贴二轴90

度应变花R3、R4，其中R1、R3测量圆筒纵向应变，R2、R4测量横向应变。

横截面图

沿圆筒母线剪开摊成表面图

图2 小组设计

其工作如原理是：把弹性元件上贴的四片电阻片按全桥方式连接如图3，根据电桥理论，电阻变化与弹性元件的敏感不见应变相对应，而在弹性元件的弹性范围内气受力后的应变又正比于力的大小，因此电桥的输出与受力的大小成正比。对于由于偏心加载而出现的弯矩影响和温度应力，利用对称贴片和全桥电路，根据电桥的加减特性来抵消其影响。

图3接线图

这时应变1ε、3ε除了有荷载F 引起的压缩应变F ε外，还有温度变化引起的应变t ε和由于偏心压缩弯

矩产生的应变M ε，由于应变1ε、3ε分别在一端，因此所受的应变M ε符号相反。而应变2ε、4ε则有载荷F 引起的横向应变F με-（μ为圆筒材料泊松比）和温度变化引起的应变t ε。具体如下式：

1F M t εεεε=++ 3F M t εεεε=-+ 2F t εμεε=-+ 4F t εμεε=-+

由于

1243d εεεεε=--+

此方案由接桥可知应变仪的读数为：

()21d F εμε=+

四、实验内容和实验步骤：

实验内容：

选择电桥方案，在传感器两端施加载荷，测量应变输出，给出标定曲线，并求出标定值。

实验步骤：

1、用游标卡尺和铅笔在圆筒上标出对称的两点和测量其内外径D 和d ，按照图2的贴片的方法，贴上两片90°应变花，焊上电线并做保护，检测应变片的电阻值，确保不短路或电线碰

到元件，制作完一个压力传感器。

2、打开静态应变仪预热，按照图所示，接全桥电路。

3、将圆筒上下各放一个垫铁，检测电路无误，并将测量电路平衡清零。

4、用砝码逐级加载，每次加100N，等待读数稳定后记录应变仪读数和标准砝码值，等加载到400N时，逐级卸载，每次减100N，等读数稳定后记录。

5、重复实验三次，整理好数据和实验仪器，结束实验。

五、数据记录：

表2 逐级减少荷载的数据记录

（注：以上数据的单位均为με）

由以上数据可以得到自制压力传感器的标定曲线和应变花的滞后曲线如图4

图4标定曲线和滞后曲线图

由标定曲线得传感器的标定值(及标定曲线的斜率)为：

0.4437/K N με=-

六、讨论和报告要求：

1.设圆筒的许用应力为230Mpa,则该圆筒的额定载荷为多少？ 答：D=47.16mm ，d=46.18mm 由σ=F

π

4

(D 2?d 2)

得：

F =π4

(D 2

?d 2)?[σ]

其中[σ]=230Mpa ，得额定荷载为：

F=16523.9N

2.传感器的标定值为多少(με/kg) 答：0.4437/K N με=-

3.传感器材料的弹性模量为200Gpa,泊松比0.25，分析测量值与理论值的误差大小及其产生原因.

答：其误差可能来自于对圆筒内外径的测量误差，贴片的不牢固，焊接电线不良或者导线粘贴在一起使得应变变正数，加载的不均匀，应变片的机械滞后效应（由图5的滞后曲线可以看出，滞后效应的影响还是很明显的）和仪器的读数误差。

4.如何对传感器进行优化？根据力学知识，自己设计1-2种拉压力传感器。 答：

自己设计的贴片方案和接桥方法：

横截面图

沿圆筒母线剪开摊成表面图

图5个人设计

采用全桥接线法对臂测量，电桥相对两臂接工作应变计，另相对两臂接温度补偿片。这时应变1ε、3ε除了有荷载F 引起的压缩应变F ε外，还有温度变化引起的应变t ε和由于偏心压缩弯矩产生的

应变M ε，由于应变1ε、3ε分别在一端，因此所受的应变M ε符号相反。而2ε、4ε只有温度变化引起的应变t ε。具体如下式：

1F M t εεεε=++ 3F M t εεεε=-+

24t εεε==

由于

1243d εεεεε=--+

此方案由接桥可知应变仪的读数为：

2d F εε=

5.针对实验操作过程遇到的问题和解决方法，谈谈实验体会 答：在本次实验中我们组遇到了以下问题： 1) 实验前焊接线路不成功，屡屡断线；

2) 本次实验为压缩实验，理论应变理应为负值，而我们的静态应变测量处理仪却屡屡显示

正值；

3) 实验前面几组记录的应变数据（未记录在本次实验报告里）离线性变化相差甚远； 根据本次实验的解决方法，我有了非常深刻的体会：

1) 焊接线路时必须先把导线粘紧后在焊接，这样能有效防止线路断掉的悲剧发生；

2) 粘贴应变的工作必须细心认真，假如贴片不够紧，当受力物件已发生形变而应变片却来

不及应变，这对数据影响非常大，得不到想要的结果； 3) 成功的实验需要团队合作与配合，个人的耐心与细心。