电阻应变式传感器 实验报告

-2.5 2.5 0 0.58 6.25 27.5 0.0210
-7-
2 -0.016 4
1.5 -0.024 2.25
1 -0.03 1
0.5 -0.021 0.25
0 0 0
-0.5 0.031 0.25
-1 0.072 1
-1.5 0.123 2.25
-2 0.19 4
-2.5 0.255 6.25
主要仪器设备： CSY10A 型传感器系统实验仪
实验原理和内容： 1. 应变效应 导体或半导体在外力的作用下发生机械变形时， 其阻值也会发生相应的变化， 成为应变效应。 电 阻应变片的工作原理即是基于这种效应， 将本身受力形变时发生的阻值变化通过测量电路转换为 可使用的电压变化等以提供相关力的大小。 金属丝的电阻应变量可由以下算式表达： 金属丝的原始电阻值为 R
2.5 -2.5 0.04 0.238 6.25 27.5 0.00865 4 2.25 1 0.25 0 0.25 1 2.25 4 6.25 -2 0.02 -1.5 0.0135 -1 0.004 -0.5 0 0 0 0.5 0.0045 1 0.013 1.5 0.027 2 0.046 2.5 0.07
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电压-位移关系
0.15 U（V）
0.1
0.05
0 -6 -4 -2 0 2 4 X（mm） 6
单臂电桥电压(V) 半桥电压(V)
-0.05
-0.1
-0.15
-6-
结果与分析： 将单臂电桥和半桥的数据绘制成坐标散点图， 并且拟合出直线， 如上图所示： 根据图中所添加的拟合直线， 在直线上取样计算斜率， 可以得到以下四个斜率， 表现为各自的灵敏 度： 使用 MLS， 测量电路的灵敏度 kv=ΔV/Δ x= 负向形变， 单臂电桥 ΔX1(mm) U(V) Xavg= Xi-Xavg= Δxi*yi= SUMΔxy (Xi-Xavg)^2 SUMΔx^2 k=
L
S
， 收到轴向拉力时， 发生电阻值变化 R ， 变化比例的表达式为：
R L S ， 根据金属丝在力学和材料学上的相关性质， 在弹性范围内可以对公式进 R L S
行改写， 得到
R L L L ， 其中系数 k 称为电阻应变片的灵敏系数， (1 2 ) k R L L L
nU R1 ， 同 2 (1 n) R1
时得到单臂电桥灵敏度表达式 k v
V nU R / R (1 n) 2
单臂电桥的实际输出电压与电阻变化的关系是非线性的， 存在非线性误差， 故不常使用。
2.2 半桥 如图， 接入两个应变电阻和固定电阻， 设初始状态为 R1=R2=R3=R4=R, ΔR1=ΔR2=ΔR， 可以 得到电压表达式 V
-4.0 -0.043 4.0 0.018
百度文库
-4.5 -0.049 4.5 0.023
-5.0 -0.053 5.0 0.028
半桥数据 起始位置 X0=10.950mm
ΔX1(mm) U(V) ΔX2(mm) U(V)
0 0.000 0 0.003
-0.5 -0.008 0.5 0.016
-1.0 -0.016 1.0 0.026
0 0 -0.5 -0.007 -1 -0.011 -1.5 -0.014 -2 -0.022 -2.5 -0.029 -3 -0.032 -3.5 -0.038 -4 -0.043 -4.5 -0.049 -5 -0.053
(x x) y (x x)
i 2 i
i
，
-2.5 2.5 0 0.2935 6.25 27.5 0.0106 4 2.25 1 0.25 0 0.25 1 2.25 4 6.25 2 -0.014 1.5 -0.0165 1 -0.014 0.5 -0.011 0 0 -0.5 0.016 -1 0.038 -1.5 0.0645 -2 0.098 -2.5 0.1325
负向形变， 半桥 ΔX1(mm) U(V) Xavg= Xi-Xavg= Δxi*yi= SUMΔxy (Xi-Xavg)^2 SUMΔx^2 k=
0 0 -0.5 -0.008 -1 -0.016 -1.5 -0.03 -2 -0.042 -2.5 -0.05 -3 -0.062 -3.5 -0.072 -4 -0.082 -4.5 -0.095 -5 -0.102
5. 相关注意事项 5.1 在进行先向上再向下的位移操作中， 易产生零点漂移； 计算式可以将正负两个方向的Δ x 分 开计算灵敏度以后再取平均得到。
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数据记录与处理： 单臂电桥数据 起始位置 X0=10.950mm
ΔX1(mm) U(V) ΔX2(mm) U(V)
0 0.000 0 -0.016
kv
V R / R
根据电阻变化输入电桥的方法不同， 可以分为 单臂、 半桥和全桥输入三种方式：
2.1 单臂电桥 只接入一个应变电阻片， 其余为固定电阻。 设电桥的桥臂比为
R 4 R3 n ， 根据电桥的工作 R1 R 2
原理， 并忽略一些极小的无影响的量， 可以得到输出电压的表达式为 V
步骤与操作方法： 1. 箔式单臂电桥的性能 1.1 差动放大器调零， 打开所用单元的 电源开关， 差放器增益置于 100 倍， 并 进行相关的其他调零处置。之后关闭电 源 1.2 按照右侧的电路图连接实验所需的 元件， 组成箔式单臂电桥电路。 1.3 调节悬臂梁头部铁心吸合的测微头， 使应变梁处以基本水平状态。 1.4 确定连线无误以后， 启动仪器电源并预热数分钟； 调整电桥 Wd 电位器， 使测试系统的输出 为零。 1.5 旋动测微头， 带动悬臂梁分别向上和向下运动各 5mm， 其中测微头每移动 0.5mm 记录一次 差动放大器输出的电压值； 然后画出 x-V 曲线， 并计算桥路的灵敏度 kv=ΔV/ Δx
正向形变， 单臂电桥 ΔX2(mm) U(V) Xavg= Xi-Xavg= Δxi*yi= SUMΔxy (Xi-Xavg)^2 SUMΔx^2 k=
0 -0.016 0.5 -0.01 1 -0.009 1.5 -0.004 2 0 2.5 0.003 3 0.009 3.5 0.013 4 0.018 4.5 0.023 5 0.028
-0.5 -0.007 0.5 -0.010
-1.0 -0.011 1.0 -0.009
-1.5 -0.014 1.5 -0.004
-2.0 -0.022 2.0 -0.000
-2.5 -0.029 2.5 0.003
-3.0 -0.032 3.0 0.009
-3.5 -0.038 3.5 0.013
2.5 -2.5 -0.0075 0.6865 6.25 27.5 0.0249 4 2.25 1 0.25 0 0.25 1 2.25 4 6.25 -2 -0.032 -1.5 -0.039 -1 -0.036 -0.5 -0.02 0 0 0.5 0.037 1 0.091 1.5 0.15 2 0.232 2.5 0.31
大连理工大学
大 学 物 理 实 验 报 告
院（系） 姓 名 材料学院 童凌炜 2009 年 专业 学号 材料物理 200767025 班级 实验台号 五 第 5-6 节
教师签字
0705
成
绩
实验时间
03 月 06 日，第 二 周，星期
实验名称
教师评语
电阻应变式传感器
实验目的与要求： 1. 学习电阻应变式传感器的基本原理、 结构、 特性和使用方法 2. 测量比较几种应变式转换电路的输出特性和灵敏度 3. 了解温度变化对应变测试系统的影响和温度补偿方法
1 R 1 U ， 半桥灵敏度表达式 k v U ， 可见输出电压与电阻的变化严格呈 2 R 2
线性关系， 不存在线性误差， 灵敏度比单臂电桥提高了一倍。
2.3 全桥 全部电阻都使用应变电阻， 且相邻的两个臂的受力方向相反， 根据电桥性质可以得到电压及灵敏
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度的表达式 V 广泛被使用。
-1.5 -0.030 1.5 0.036
-2.0 -0.042 2.0 0.049
-2.5 -0.050 2.5 0.060
-3.0 -0.062 3.0 0.074
-3.5 -0.072 3.5 0.091
-4.0 -0.082 4.0 0.102
-4.5 -0.095 4.5 0.116
-5.0 -0.102 5.0 0.125
表示单位应变量引起的电阻值变化， 它与金属丝的几何尺寸变化和本身的材料特性有关； 一般半
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导体的灵敏系数要远大于金属的灵敏系数。 （由于受力会影响到半导体内部的载流子运动， 固可 以非常灵敏地反映细微的变化）
2. 电阻式应变传感器的测量电路 转换电路的作用是将电阻变化转换成电压或电 流输出， 电阻应变式传感器中常用的是桥式电 路， 本实验使用直流电桥。 驳接阻抗极高的仪器时， 认为电桥的输出端断 路， 只输出电压信号； 根据电桥的平衡原理， 只有当电桥上的应变电阻发生阻值变化时， 电 压信 号即 发生 变化 ； 电 桥的 灵敏 度定 义为
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时的温度 T。 3.4 开启加热器电源， 观察输出电压随温度上升所发生的变化， 并记录多组数据， 计算温度漂移 ΔV/ΔT。 3.5 将 R4 换成与应变片处于同一个应变梁上的补偿片， 重复以上实验数据， 计算新的温度漂移 并与之前的进行比较。
4. 半导体单臂和半桥电路性能的比较 4.1 调零仪器， 并按照电路图连接电路， R’ 是半导体应变片， R’’是电桥上的固定电阻， 直流激励电源为± 2V； 开启电源后预热数 分钟。 4.2 调节应变梁处于基本水平状态， 调整电 桥 Wd 电位器， 使测试系统输出为零。 4.3 旋动测微头， 以向上向下各 5mm 为限， 0.5mm 为间隔记录数据 x，V， 并作 x-V 曲线， 计 算灵敏度 4.4 重新调整应变梁处于基本水平状态， 并重新调整输出为零。 用 P-N 结温度传感器测出系统的 温漂。 4.5 按 照电 路图 连 接半 导体 半 桥双 臂电 路， 半导体应变片处于同一桥侧， 重复 以上实验步骤，比较两种半导体桥路的灵 敏度和温度漂移。
正向形变， 半桥
ΔX2(mm) U(V)
0 0.003
0.5 0.016
1 0.026
1.5 0.036
2 0.049
2.5 0.06
3 0.074
3.5 0.091
4 0.102
4.5 0.116
5 0.125
Xavg= Xi-Xavg= Δxi*yi= SUMΔxy (Xi-Xavg)^2 SUMΔx^2 k=
综合以上四个计算结果来看： 单位： V/mm 单臂电桥正向灵敏度 单臂电桥负向灵敏度 单臂电桥平均灵敏度 0.00865 0.0106 0.00912 半桥正向灵敏度 半桥负向灵敏度 半桥平均灵敏度 0.0249 0.0210 0.0229
从实验数据中得到的结果可见， 半桥电路的灵敏度比单臂电桥的灵敏度的两倍还要高一些 kv2=0.0229>2*kv1=0.01824， 这与理论计算上的 kv2=2*kv1 不相同， 而半桥的灵敏度是严格等于 0.5U 的， 说明实际上单臂电桥测量电路存在温度漂移和非线性误差， 导致其实际的灵敏度要低于 0.25U， 原因是应变电阻的变化量相比于固定电阻的阻值不可以被忽略。
R V U， S U ， 可见差动电桥的灵敏度比单臂电桥提高了 4 倍， 故 R R / R
补偿片的方法消除温度带来的漂移误差： 在单臂电桥中， 将与工作电阻同侧的固定电阻更换成相 同受力方向的补偿片， 且原始电阻值相等； 这样在实际使用中， 由于温度造成的电阻值变化被 抵消， 且补偿片不受力， 故可以消除电压的漂移输出。
2. 箔式单臂、 半桥、 全桥电路的性能比较 基本操作过程与实验 1 相同， 其中连接电路部分分别使用上下梁的两个应变片， 以构成半桥； 或 者全部使用应变片以构成全桥。 并进行实验， 记录数据。 在同一坐标上画出三种桥路的 x-V 曲线， 并进行灵敏度的比较。
3. 箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿 3.1 参照实验 1 的步骤， 将差动器的部件调零 3.2 参照实验 1 的电路连接所用的元件， 并将差分放大器的输出端接毫伏表， 将 P-N 结温度传感 器接入传感端， Vt 接数字电压表。 数字电压表置于 2V 档， 显示环境的绝对温度。 3.3 开启仪器的电源并预热数分钟。 调整电桥的 Wd 电位器， 使测试系统的输出为零， 并记录此