传感器实验一

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1、实验室开放项目报告项目名称应变片单丿班级姓名指导教师一、实验目的：了解电阻应变片的丄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來组成。i种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主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变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输岀。可用于能转化成变形的各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

2、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卞产牛应变而其电阻值也会产牛相应地改变，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P时，根据电阻的定义式得当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率P的变化为dL、dA、dP相应的电阻变化为dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：式中：dL/L为导体的轴向应变量£l；dr/r为导体的横向应变量J由材料力学得：8l=-（1一3）式中：U为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松

3、比为O.3--O.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得:(1—4)式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的儿何应变（儿何效应）和本少特有的导电性能（压阻效应）。2、应变灵放度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产牛的电阻的相对变化量。（1）、金属导体的应变灵頌度K：主要取决于其几何效应；可取N(l+2p)%(1—5)其灵敏度系数为:竺=(1+2力金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉仲时电阻增大，压缩时电阻减小，R与其轴向应变成正比。金属导体的电阻丿应变灵敏度一般在2左右。（2）、半导体的应变灵敏度

4、：主要取决于其压阻效应；dR/R<^d（ypo半导体材料之所以具有较人的电阻变化率，是因为它有远比金屈导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象我们称之为半导体的圧阻效应。且不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压肌效应不同，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主要体现为压阻效应，可正可负，与材料性质和应变方向有关，其灵敏度系数佼

5、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，贴片式半导休应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）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，在它上而直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压肌式（压阻效应）传感器。*木实验以金属箔式应变片为研究对彖。4、箔式应变片的基本结构应变片是在用苯酚、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—1所示。茎片（a）丝式应变片叽片及覆盖绝绿X（b）箔式应变片图1—1应变片

6、结构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M变片工作原理相同。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：AR/R=Ke式屮：AR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,£=AL/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辭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。电桥电路具有结构简单、灵嫩度高、测量范围宽、线性度好J1易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在丿应变测量中得到了广泛的应用。

7、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；双愕输出是单愕的两倍，性能比单愕有所改善；全桥工作时的输出是单种时的四倍,性能最好。因此，为了得到较大的输出业压或电流信号一般都釆用双臂或全桥工作。基本电路如图1—2(a)>(b)、(c)所示。(a)单臂(b)半桥(c)全桥图1—2应变片测虽电路(a)、单臂Uo=U(D_lX§)=((R4+AR4)/(R4+AR4+R3)-R1/(R1+R2))E={((R1+R2)(R4+AR4)-R1(R3+R4+AR4))/((R3+R4+AR4)(R1+R2)

8、)}E设R1=R2=R3=R4,月.△R4/R4=AR/RVV1,AR/R=Keo则Uo~(l/4)(AR4/R4)E=(1/4)(AR/R)E=(l/4)KeE(b)、双臂(半桥)同理:Uo~(l/2)(