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物理创新实验作品.doc

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物理 创 新 实验 作品----微小形变的电测法【小组成员】土木 0410 赵振东、郑国智、李斌【关键词】电测法 应变片 弯矩 灵敏系数弹性模量 悬臂梁 传感器 电桥法温度补偿片 电桥灵敏度 逐差法微小形变的电测法【实验简介】电学测量方法具有灵敏度高,响应速度快,便于自 动控制与处理等特点。 电学测量方法一般直接测量的是电学量,如电阻、 电动势、电流、电容、电感等,因此,要用电学测量方法去测非电学量,就必须将非电学量转换成电学量,其转换器件称为传感器。本实验用电阻应变片作为传感器,将微小的形变转换成电阻的变化来测量悬臂梁的主应变。通过本实验了解电阻应变片(传感器)的结构及工作原理,掌握电桥测电阻的方法,理解灵敏度对测量的影响,用电桥测量应变片电阻的微小变化,进而测定悬臂梁的应变。【实验目的】1. 用电测法测量微小的形变;2. 学习连接电路,学会 电阻箱, 毫安表, 滑线变 阻器等电学仪器的使用;3. 培养创新思维及实际操作能力。【实验仪器】电阻箱三个,微调电阻箱,复射式灵敏电流计,毫安表 ,滑线变阻器, 直流电源,开关,保护电阻开关,阻尼 电键,相同 质量的砝码五个,水平悬臂梁,应变片,温度补偿片。【实验原理】1.电桥测电阻原理电桥分直流电桥和交流电桥两大类。本实验所用的自搭式单臂电桥亦即惠斯通电桥,主要用于测量 1~106W 范围内的中值电阻。和伏安法比较,由于其不用电表,避免了电表内阻以及精度不够高等因素造成的误差,因此成为准确测量电阻的常用方法之一。惠斯通电桥由电源、桥臂、桥路三部分组成,其原理如 4-20-1 所示,未知 电阻 Rx与另外三个已知电阻 R1、R2、R3 构成了电桥的四个 桥臂,电桥的一个对角线 AC上接直流电源 E,而另一对 角线 BD 即桥路接灵敏 电流计 G。改变 R1、R2、R3 的阻值,可以改变 B、D 两点之 间的电位差,当 R1、R2、R3 的阻值被调节成某一组合时,可以使 B、D 之间的 电位差为零,此时电流计的指针就准确地指在零位,电桥处于平衡状态此时有即有将两式相比,得到即上式称为电桥平衡条件。由电桥平衡条件可得综上所述,利用电桥测量电阻的过程,就是 调节 R1、R2、R3 使电桥达到平衡条件的过程,而平衡与否由电流计来判断。一旦 电桥平衡,就可以根据(3-9-3 )式,求出待测电阻 Rx。在直流电桥中,R3 是标准 电阻箱,此臂称为比较臂,而电阻 R1、R2 的比值可按10 的整数次方变化,通常称为电桥的比率。在用电桥测电阻时,电桥系统的灵敏程度反映了测量的精确程度,对于等臂电桥,常用绝对电桥灵敏度,其定义为(mm/欧姆)它表示电桥平衡后,DRx 所引起的 Dd 越大,电桥灵敏度 S 越高,所得平衡点越精确,测量误差越小。电桥灵敏度不仅与灵敏电流计有关, 还与所加电压及各桥臂电阻值的大小和配置有关,灵敏电流计的灵敏度越高,电源电压越大, 电桥的灵敏度越高。2.测量应变原理将电阻应变片粘贴在试件的表面,应变片内电阻丝的两端接入测量电路(电桥)。随着试件受力变形,应变片的电阻丝也获得相应的形变使电阻值发生变化。由应变片的工作原理可知,当应变沿应变片的主轴方向时,应变片的电阻变化率和试件(本实验为悬臂梁)的主应变 成正比,即式中 K 为应变片的灵敏系数(此值由应变片厂家给出);R 是未加力时应变片阻值的初始值;DR 是加力变形后应变片的电阻变化。所以只要测出应变片阻值的相对变化,便可得出被测试件的应变。本 实验用平衡电桥测量应变片电阻的相对变化。实验装置及测量线路如图 4-20-2 和图 4-20-3 所示,将被测试件一端夹持在稳固的基座上,其主体悬空,构成一悬臂梁。在 悬臂梁固定端 A 处贴一应变片,在悬臂梁变形端 B 处贴一同型号同规格的应变片,在 C端挂一砝码托盘以备加载。将 A 处的应变片作为温度补偿片 R1,B 处的应变片Rx 作为传感器测量应变,用多体电阻箱 R2、Ra 和微调电阻箱 Rb 以及 R1、Rx 组成一电桥,作为微小形变测量电路。当 C 处加载时 ,悬臂梁将向下弯曲,B 处产生变形,贴在 B 处的应变 片亦发生变形,其电阻值发 生变化,此 电阻值的变化可通过电桥测量出来,从而测定悬臂梁 B 处的形变。【实验步骤】(1)选择合适的电桥灵敏度通常,在具体的电桥线路中,为保证测量有足够的灵敏度,往往根据比较臂电阻的最小单位步进值来选择合适的电桥灵敏度。所谓合适的电桥灵敏度就是当电桥平衡后,将比较臂电阻改变最小单位步进值时, 电流计指针有明显的“ 动静”。这里所谓“动 静” ,是指电流计指针偏转小于等于 1/2mm,即半格。通过对电桥灵敏度测量的实验结果表明:当电桥平衡时,若某一桥臂电阻改变了DR,则电桥不再平衡, 桥路上有 电流通过,电流计偏转了 Dd
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