实验1 位移传感器的设计及标定

马 杭 编写

传感器是一种测量装置，用来把有关的物理量转变成具有确定对应关系的电量输出，以满足对于信息的记录、显示、传输、存储、处理以及控制的要求。传感器是实现自动测量与控制的第一个环节，在生产实践和科学研究的各个领域中发挥着十分重要的作用。本实验要进行分析、设计、制作的双悬臂梁式位移传感器（引伸计）是一种测量小位移的装置，它利用电阻应变计作为敏感元件，利用钛合金微梁作为弹性元件，并利用电桥作为基本测量电路，利用静态数字电阻应变仪作为放大与输出仪器，它们与记录仪器共同组成位移测试系统，可以实现对静态小位移的测量。

一、实验目的

1.学习并掌握双悬臂梁式位移传感器的结构、原理和设计方法。

2.理解并掌握位移测试系统的标定方法，学会相关仪器的使用方法。

3.学会电阻应变计的筛选、粘贴、焊接、检验等操作方法。

二、实验设备、仪器、工具、材料

1.静态数字电阻应变仪YJ28A-P10R

2.标定器、计算器（自备）、数字式万用表、游标卡尺、电烙铁、手钳等

3.弹性元件（钛合金微梁）、固定块、螺钉、螺母等

4.电阻应变计、引出板、导线、502胶、丙酮、焊锡、砂纸等

图17-1  双悬臂梁式位移传感器的结构

三、实验原理简介

如图17-1所示，引伸计的弹性元件由两个钛合金微型悬臂梁组成，利用粘贴在悬臂梁上的电阻应变计作为敏感元件，当两个刀口之间发生相对位移时，悬臂梁随之变形，电阻应变计产生的电阻改变量通过电桥和静态数字电阻应变仪转变为相关的电信号显示或者输出、记录。引伸计、电桥、电阻应变仪、记录仪器共同组成静态位移测试系统。根据待测位移量的特点和量程，需要对引伸计进行理论设计，包括选材、几何与尺寸设计、强度与变形的分析与计算等，设计工作之后是引伸计的制作过程以及测试系统组合工作。在能够进行实际位移的测量之前，一项重要的工作是确定位移量与系统输出电量的比例关系（灵敏度），这个过程就是系统的标定。通过标定，还可以获得系统的线性度、测试误差等重要参数，以判定测试系统的品质。

四、实验步骤

1.理论分析与设计：

（1）首先根据钛合金微梁的强度条件确定微梁的许可载荷，再根据许可载荷计算引伸计可以测量的最大位移值。已知钛合金的许用应力[ ]=400MPa，弹性模量 =100GPa。

（2）根据测量的钛合金微梁的尺寸，选定贴片的位置、数量与接桥方案。可供选择的接桥方案有：单梁单臂、单梁半桥、双梁半桥、双梁全桥等。

（3）根据选定的接桥方案，计算该位移测试系统的灵敏度，即对应于某个位移值的输出电压与该位移的比值（V/mm）。已知静态数字电阻应变仪的线性输出为10V/20000 。

2.位移传感器的制作与测试系统的组合：

（1）对电阻应变计的进行筛选，清理微梁表面、粘贴应变计后，进行引线焊接、短路检验等操作，并装配引伸计。

（2）将引伸计与电阻应变仪按选定的接桥方案进行连接，组成测试系统。

3.测试系统的标定

（1）将引伸计安装在标定器的刀口上，设定标定器测微尺的零点，将数字电阻应变仪调零。

（2）转动测微尺，使刀口逐次产生0.1mm（或者0.2mm）的位移，直到总位移达到1 mm（或者2mm）。记下电阻应变仪上对应于每次位移的度数。

五、试验结果整理

1.写出理论分析与设计的过程与结果，并对各种接桥方案进行比较、讨论。

2.对标定数据列表并进行一元线性回归分析（参见附录一），求出测试系统实际的灵敏度（V/mm）、在标定范围内的线性度（相关系数）以及剩余标准差。

3.在坐标纸上画出标定数据和回归直线，标出刻度。

4.比较测试系统灵敏度的实际值与理论值，简要讨论差别产生的主要影响因素。

六、预习与思考

1.复习材料力学中关于悬臂梁的强度与变形计算的内容。

2.复习静态电阻应变测试技术的有关内容。

3.进行理论分析中第一步的目的是什麽？

4.如果要设计一个简易的应变计式拉力或者压力传感器，应当如何着手？