實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)

1、姓名級(jí)號(hào)實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測(cè)量電路。二、基本原理：電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過(guò)特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來(lái)組成。一種利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過(guò)一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過(guò)測(cè)量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號(hào)輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè)，如力、壓力、加速度、力矩、重量等,在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的

2、金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為 “電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長(zhǎng)為：L、半徑為r、材料的電阻率為p時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得d1)當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L、截面積A和電阻率p的變化為dL、dA、dp相應(yīng)的電阻變化為dR。對(duì)式（1 1）全微分得電阻變化率 dR/R為：(1 2)式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量 可 dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量 &由材料力學(xué)得:(1 3)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號(hào)表示兩者的變化方向相反。將式（1 3）代入式（1 2）得:(1 4)式（1 4）說(shuō)

3、明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。2、應(yīng)變靈敏度它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。（1）、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度 K:主要取決于其幾何效應(yīng)；可取dR«(1 5)R其靈敏度系數(shù)為:K=dR=(1 + 2“)金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。（2）、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R衣d p ?半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體

4、結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理， 使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說(shuō)，同 樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞） 很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用 N型單晶硅為傳感器的彈性元 件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄

5、膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。*本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)0.025m m 左右(a)絲式應(yīng)變片創(chuàng)出戰(zhàn)全聊卅(b)箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為 的金屬絲或金屬箔制成，如圖 1 1所示。圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)， 描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： R7 R= Ks 式中： R/R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，s =AL/L為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化

6、。5、測(cè)量電路為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫 度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號(hào)最小、線性、穩(wěn)定性 較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍， 性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號(hào)一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D1 2 (a)、( b)、( c)所示。EEE(a)單臂(b)半橋(c)全橋圖12應(yīng)變片測(cè)量電路(a)、單

7、臂Uo= 一=(R1+A R1) / (R1 + R1+ R5) R7/ (R7 + R6)E=( R7+ R3) (R1 + R1) R7 ( R5+ R1 + R1)/( R5+ R1+ R1) (R7 + R6)E設(shè) R1 = R5= R6= R7，且 R1 / R1= A R / R vv 1, R/ R= K £ , K 為靈敏度系數(shù)。貝U Uo (1 /4)( R1/R1)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 / 4) K £ E(b)、雙臂(半橋)同理:Uo (1 / 2)( R/ R)E= (1 / 2)K £ E(C)、全橋同理:Uo (

8、 R/R)E= K £ E6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖Rb/鐘 E+輿一1圖1 3應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖圖中R5、R6、R7為350 Q固定電阻，R1為應(yīng)變片；RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源土 4V。橋路輸出電壓 Uo (1 /4)( F4/ R4)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 /4)K £ E。差 動(dòng)放大器輸出為Vo。4專位數(shù)顯萬(wàn)用表(自備)三、需用器件與單元：主機(jī)箱中的土 2V土 10V(步進(jìn)可調(diào))直流穩(wěn)壓電源、土15V直流 穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⑼斜P(pán)、砝碼;四、實(shí)驗(yàn)步驟:應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f(shuō)明：應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

9、板由應(yīng)變式雙孔懸臂梁載荷傳感器(稱重傳感器)、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應(yīng)變片測(cè)量電路、差動(dòng)放大器組成。實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞1（傳感器的左下）、R2（傳感器的右下）、R3（傳感器的右上）、R4（傳感器的左上）為稱重傳感器上的應(yīng)變片輸出口；沒(méi)有文字標(biāo)記的5個(gè)電阻符號(hào)是空的無(wú)實(shí)體，其中4個(gè)電阻符號(hào)組成電橋模型是為電路初學(xué)者組成電橋接線方便而設(shè)；R5、R6、R7是350Q固定電阻,是為應(yīng)變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設(shè)的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口， 做應(yīng)變片溫度影響實(shí)驗(yàn)時(shí)用。多芯插頭是振動(dòng)源的振動(dòng)梁上的應(yīng)變 片輸入口，做應(yīng)變片測(cè)量振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)用。1、將托盤(pán)安裝到傳

10、感器上，如圖 1 4所示。托樂(lè)圖1 4傳感器托盤(pán)安裝示意圖2、測(cè)量應(yīng)變片的阻值（不要求）：當(dāng)傳感器的托盤(pán)上無(wú)重物時(shí)，分別測(cè)量應(yīng)變片R1、R2、R3 R4的阻值。在傳感器的托盤(pán)上放置10只砝碼后再分別測(cè)量R1、R2、R3 R4的阻值變化，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變小。4（1/2）奴顯萬(wàn)用表2k檔測(cè)阻值R隔斐傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)O圖1 5測(cè)量應(yīng)變片的阻值示意圖3、實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒?dòng)放大器調(diào)零：按圖1 6示意接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開(kāi)關(guān)切換到2V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置（先順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底， 再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈）后，再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器 RW4使電壓表顯示為零。Bj. fis R-3 Rqo 0 o o o應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０錼IL宜流穩(wěn)壓電源故庫(kù)iTO嚴(yán)/0 Oas f +isf-1ST斗盟嶺2!壓表20W$程灑開(kāi)關(guān)iVi圖16差動(dòng)放大器調(diào)零接線示意圖4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖1 7示意圖接線，將土 2V土 10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到土 4V檔。檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶?電位器RW1,使主機(jī)箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤(pán)上依次增加放置一只20g砝碼（盡量靠近托盤(pán)的中心點(diǎn)放置），讀取