实验七电阻应变片传感器灵敏度的测量

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1、实验七电阻应变片传感器灵敏度的测量在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现电测非电量目的的，它们统称为电阻式传感器．由于各种电阻材料受被测量(如位移、应变、压力、温度、加速度等)作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器的种类多且应用范围广．其中常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器．【实验目的】1．了解电阻应变片传感器的转换原理；2．掌握电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；3．利用电阻应变片直流电桥测量传感器的电压输出灵敏度．【实验原理】1．应变片的转换原理电阻应变片传

2、感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路组成．被测力学量作用在一定形状的弹性元件上（如悬臂梁等）使之产生变形．这时，粘贴在其上的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为自身电阻值的变化，再由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出．工程中使用最多的电阻应变敏感元件是金属箔或半导体电阻应变片．考查一段园截面的导体（金属丝），图1，设其长为L，截面积为A（直径为D），原始电阻为RLR=r（1）A式中，r为金属丝的电阻率．当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）产生形变，其电阻值会随之变化．通过对（1）式两边取对数后再取全微

3、分得：LDFFD-DDDL图1金属丝拉伸后的电阻变化图2直流电桥原理48dRdLdAdr=-+（2）RLArdLdAdD式中=e为材料轴向线应变，且=2．根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，LAD有dDdL=-m（3）DL式中m为导体材料的泊松比．因此，有dRdLdr=(1+2m)+（4）RLr实验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为drdV=c×（5）rVdVdLdA式中，c为常数（由一定的材料和加工方式决定），=+=(1-2m)e．将式（5）VLA代入（4），且当△R<

4、c()1-2me=Ke（6）R式中，K=(1+2m)+c(1-2m)为金属丝材料的应变灵敏系数．上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比．这就是金属材料的应变电阻效应．2．电桥的工作原理和特性（1）电桥的工作原理图2是一个直流电桥．A、C端接直流电源，称供桥端，Uo称供桥电压；B、D端接测量仪器，称输出端éæRöæRöùU=U+U=Uêç3÷-ç2÷ú（7）BDBCCD0çR+R÷çR+R÷êëè34øè12øúû由式（7）可知，当电桥输出电压为零时电桥处于平衡状态．为保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡）

5、．49（2）电桥的加减特性电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化(电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出．当供桥电压一定且△Ri<

6、0DU=-+-=(e-e+e-e)（10）ç÷12344RRRR4è1234ø式（10）为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：（a）当只有一个桥臂接应变片时（称为单臂电桥），桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R变为R+△R，其余各臂为固定电阻R（△R2=△R3=△R4=0），则式（10）变为U0æDRöU0DU=ç÷=Ke（11）4èRø4（b）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥），（见图3）即桥臂R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增量△R1、△R2，而R3和R4臂为固定电阻R（△R3=△R4=0）．当两桥臂电阻同时拉伸或同

7、时压缩时，则有△R1=△R2=△R，由式（10）可得△U=0．当一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有△R1=△R，△R2=－△R，由式（10）可得éU0æDRöùéU0ùDU=2êç÷ú=2êKeú（12）ë4èRøûë4û（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，△R1=△R3=△R，△R2=△R4=－△R，则式（10）变为50éU0æDRöùéU0ùDU=4êç÷ú=4êKeú（13）ë4èRøûë4û此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍．RR+D1R+DR

8、2RR+D1R+DR2DUDURRR+DR4R+DR3UoUo图4全臂工作的电桥图3两个相邻臂工作的电桥（3）电桥的灵敏度电桥的灵敏度Su是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小æDRöU0æçDR1DR2DR3DR4ö÷DRSu=DU