实验一 应变式传感器一、 应变片单臂电桥性能实验（一）、实验目的:理解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。(二）、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来构成。一种运用电阻材料的应变效应将工程构造件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器重要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形,然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化,再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的多种非电物理量的检测,如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地变化，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为时,根据电阻的定义式得 （1）当导体因某种因素产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率的变化为d、A、d相应的电阻变化为dR。对式(）全微分得电阻变化率 d/R为： (12)式中:L/L为导体的轴向应变量;dr/r为导体的横向应变量r 由材料力学得:= -r （13)式中:为材料的泊松比,大多数金属材料的泊松比为0.0.左右;负号表达两者的变化方向相反。将式()代入式(12）得： （1）式(14）阐明电阻应变效应重要取决于它的几何应变(几何效应)和自身特有的导电性能(压阻效应)。、应变敏捷度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1）、金属导体的应变敏捷度K：重要取决于其几何效应;可取 （15)其敏捷度系数为：K 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小,且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变敏捷度一般在左右。 (2）、半导体的应变敏捷度:重要取决于其压阻效应;dR/Rd。半导体材料之因此具有较大的电阻变化率，是由于它有远比金属导体明显得多的压阻效应。在半导体受力变形时会临时变化晶体构造的对称性，因而变化了半导体的导电机理,使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正(使电阻增大)的或负（使电阻减小)的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应重要体现为压阻效应,其敏捷度系数较大，一般在100到200左右。3、贴片式应变片应用在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片(温漂、稳定性、线性度不好并且易损坏)很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件,在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅）,制成扩散型压阻式(压阻效应）传感器。*本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、箔式应变片的基本构造金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成,如图1所示。(a) 丝式应变片 (b） 箔式应变片图11应变片构造图金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变片工作原理相似。电阻丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化,这就是电阻应变效应,描述电阻应变效应的关系式为: R/K 式中:为电阻丝电阻相对变化,为应变敏捷系数,=L/L为电阻丝长度相对变化。5、测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号,在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有构造简朴、敏捷度高、测量范畴宽、线性度好且易实现温度补偿等长处。能较好地满足多种应变测量规定，因此在应变测量中得到了广泛的应用。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍,性能比单臂有所改善;全桥工作时的输出是单臂时的四倍,性能最佳。因此,为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图12(a）、(b)、(）所示。（a）单臂 (b)半桥 （c)全桥图12应变片测量电路（a)、单臂Uo=UU=(1+R1)/(1+R+R5)-R7（R+R6)（RR6)(R1）R7（RR1+R1）（R5R1+R1）(R+R6)E设R1=5=6=R,且RR1RR1,RRK，为敏捷度系数。则o(4)(R/1)E(1/4)（R)（1/4)K（)、双臂（半桥)同理：（1）（RR)（12)KE(C)、全桥同理:U（RR）E=KE6、箔式应变片单臂电桥实验原理图 图13 应变片单臂电桥性能实验原理图图中R5、R6、R7为30固定电阻，1为应变片; RW1和8构成电桥调平衡网络,E为供桥电源4V。桥路输出电压U(1)(R4R)=(1/4）(RR）E=（14）KE 。差动放大器输出为Vo。(三)、需用器件与单元：主机箱中的210(步进可调）直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码； 4位数显万用表(自备）。(四)、实验环节:应变传感器实验模板阐明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器构成。实验模板中的R1（传感器的左下)、R(传感器的右下)、R3（传感器的右上)、R4(传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口;没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体,其中4个电阻符号构成电桥模型是为电路初学者构成电桥接线以便而设；R5、R6、R7是350固定电阻,是为应变片构成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其他桥臂电阻。加热器+5是传感器上的加热器的电源输入口,做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口,做应变片测量振动实验时用。1、将托盘安装到传感器上，如图4所示。图14 传感器托盘安装示意图、测量应变片的阻值:当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R、R3、R4的阻值变化,分析应变片的受力状况(受拉的应变片:阻值变大,受压的应变片:阻值变小。)。图5测量应变片的阻值示意图3、实验模板中的差动放大器调零：按图6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换开关切换到V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关;调节放大器的增益电位器3合适位置（先顺时针轻轻转究竟，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器R,使电压表显示为零。图16差动放在器调零接线示意图4、应变片单臂电桥实验：关闭主机箱电源,按图7示意图接线，将210V可调电源调节到V档。检查接线无误后合上主机箱电源开关,调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1,使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增长放置一只g砝码(尽量接近托盘的中心点放置)，读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。图17应变片单臂电桥实验接线示意图表 应变片单臂电桥性能实验数据重量()0电压(mV）5、根据表1数据作出曲线并计算系统敏捷度S=V/W（V输出电压变化量,W重量变化量）和非线性误差，=myFS 100式中m为输出值（多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差：y满量程输出平均值,此处为200g。实验完毕，关闭电源。二、 应变片半桥性能实验（一）、实验目的:理解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。(二）、基本原理:应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图2所示。不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出敏捷度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压U(12）(R)E=(/2)E 。图21应变片半桥特性实验原理图（三）、需用器件与单元:主机箱中的21V（步进可调)直流稳压电源、15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。（四）、实验环节:1、按实验一（单臂电桥性能实验)中的环节1和环节实验。 、关闭主机箱电源，除将图17改成图22示意图接线外,其他按实验一中的环节4实验。读取相应的数显表电压值，填入表中。图2 应变片半桥实验接线示意图表应变片半桥实验数据重量(g)电压(mV)03、根据表实验数据作出实验曲线，计算敏捷度S/W,非线性误差。实验完毕，关闭电源。（五）、思考题：半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在：(1）对边（）邻边。三、应变片全桥性能实验(一)、实验目的：理解应变片全桥工作特点及性能。（二)、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图31所示。应变片全桥测量电路中，将应力方向相似的两应变片接入电桥对边,相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值:R1=R2=R3=R4，其变化值R1R2R=R4时,其桥路输出电压Uo(RR）EKE。其输出敏捷度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。图31应变片全桥特性实验接线示意图（三）、需用器件和单元：主机箱中的2V10（步进可调）直流稳压电源、5V直流稳压电源、电压表;应变式传感器实验模板、托盘、砝码。(四）、实验环节:实验环节与措施(除了按图32示意接线外)参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行敏捷度和非线性误差计算。实验完毕,关闭电源。图3应变片全桥性能实验接线示意图表3全桥性能实验数据重量(g)电压(mV)（五)、思考题:测量中，当两组对边(R、R为对边）电阻值R相似时,即R1=R3，R2=R4，而R1R2时,与否可以构成全桥:（）可以（2）不可以。四、应变片单臂、半桥、全桥性能比较(一)、实验目的:比较单臂、半桥、全桥输出时的敏捷度和非线性度，得出相应的结论。（二）、基本原理：如图4 （a)、(b）、（)（a)单臂 （