電阻應(yīng)變式傳感器-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大連理工大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告院(系)材料學(xué)院專業(yè)材料物理班級(jí) 0705姓 名 童凌煒 學(xué)號(hào) 200767025實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2009 年 03 月_06_日，第 二周，星期 五 第 5-6 節(jié)實(shí)驗(yàn)名稱 電阻應(yīng)變式傳感器教師評(píng)語實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1. 學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理、結(jié)構(gòu)、特性和使用方法2. 測量比較幾種應(yīng)變式轉(zhuǎn)換電路的輸出特性和靈敏度3. 了解溫度變化對應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響和溫度補(bǔ)償方法主要儀器設(shè)備：CSY10A型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容:1. 應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力的作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，成為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片的工作原理即是基于這種效應(yīng)，將

2、本身受力形變時(shí)發(fā)生的阻值變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為可使用的電壓變化等以提供相關(guān)力的大小。金屬絲的電阻應(yīng)變量可由以下算式表達(dá):發(fā)生電阻值變化 R，變化比例的表達(dá)式為:金屬絲的原始電阻值為 R ，收到軸向拉力時(shí),SSS根據(jù)金屬絲在力學(xué)和材料學(xué)上的相關(guān)性質(zhì),在彈性范圍內(nèi)可以對公式進(jìn)R|行改寫，得到一R(12)RL葉，其中系數(shù)k稱為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，導(dǎo)體的靈敏系數(shù)要遠(yuǎn)大于金屬的靈敏系數(shù)。（由于受力會(huì)影響到半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng),固可以非常靈敏地反映細(xì)微的變化）2.電阻式應(yīng)變傳感器的測量電路轉(zhuǎn)換電路的作用是將電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出， 電阻應(yīng)變式傳感器中常用的是橋式電路，本實(shí)驗(yàn)使用直流電橋。駁接阻抗

3、極高的儀器時(shí)，認(rèn)為電橋的輸出端斷路，只輸出電壓信號(hào)；根據(jù)電橋的平衡原理，只有當(dāng)電橋上的應(yīng)變電阻發(fā)生阻值變化時(shí)，電壓信號(hào)即發(fā)生變化；電橋的靈敏度定義為kvVR/R根據(jù)電阻變化輸入電橋的方法不同，可以分為單臂、半橋和全橋輸入三種方式:2.1單臂電橋只接入一個(gè)應(yīng)變電阻片,其余為固定電阻。原理， 并忽略一些極小的無影響的量，RU設(shè)電橋的橋臂比為R4 用R1 R2n,根據(jù)電橋的工作可以得到輸出電壓的表達(dá)式為 VnU R12(1 n) R1時(shí)得到單臂電橋靈敏度表達(dá)式,VnUvR/R (1 n)2單臂電橋的實(shí)際輸出電壓與電阻變化的關(guān)系是非線性的,存在非線性誤差，故不常使用。2.2半橋如圖，接入兩個(gè)應(yīng)變電阻和

4、固定電阻，設(shè)初始狀態(tài)為R仁R2=R3=R4=R, R仁 R2=A R, 可以1 R得到電壓表達(dá)式Vu ,半橋靈敏度表達(dá)式kv2 R不存在線性誤差，靈敏度比單臂電橋提高了一倍。線性關(guān)系,，可見輸出電壓與電阻的變化嚴(yán)格呈22.3全橋全部電阻都使用應(yīng)變電阻，且相鄰的兩個(gè)臂的受力方向相反,根據(jù)電橋性質(zhì)可以得到電壓及靈敏1.3調(diào)節(jié)懸臂梁頭部鐵心吸合的測微頭,使應(yīng)變梁處以基本水平狀態(tài)。RV度的表達(dá)式V -U , S U ,可見差動(dòng)電橋的靈敏度比單臂電橋提高了4倍，故RR/R廣泛被使用。補(bǔ)償片的方法消除溫度帶來的漂移誤差：在單臂電橋中，將與工作電阻同側(cè)的固定電阻更換成相同受力方向的補(bǔ)償片，且原始電阻值相等；

5、這樣在實(shí)際使用中，由于溫度造成的電阻值變化被抵消， 且補(bǔ)償片不受力，故可以消除電壓的漂移輸出。步驟與操作方法:1.箔式單臂電橋的性能1.1差動(dòng)放大器調(diào)零，打開所用單元的電源開關(guān)，差放器增益置于100倍，并 進(jìn)行相關(guān)的其他調(diào)零處置。之后關(guān)閉電 源1.2按照右側(cè)的電路圖連接實(shí)驗(yàn)所需的 元件，組成箔式單臂電橋電路。1.4確定連線無誤以后，啟動(dòng)儀器電源并預(yù)熱數(shù)分鐘；調(diào)整電橋 Wd電位器， 使測試系統(tǒng)的輸出為零。1.5旋動(dòng)測微頭，帶動(dòng)懸臂梁分別向上和向下運(yùn)動(dòng)各5mm，其中測微頭每移動(dòng) 0.5mm記錄一次差動(dòng)放大器輸出的電壓值；然后畫出x-V曲線， 并計(jì)算橋路的靈敏度 kv= V/ x2. 箔式單臂、半橋

6、、 全橋電路的性能比較基本操作過程與實(shí)驗(yàn) 1相同，其中連接電路部分分別使用上下梁的兩個(gè)應(yīng)變片，以構(gòu)成半橋； 或者全部使用應(yīng)變片以構(gòu)成全橋。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 記錄數(shù)據(jù)。在同一坐標(biāo)上畫出三種橋路的x-V曲線，并進(jìn)行靈敏度的比較。3. 箔式應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及應(yīng)變電路的溫度補(bǔ)償3.1參照實(shí)驗(yàn)1的步驟，將差動(dòng)器的部件調(diào)零3.2參照實(shí)驗(yàn)1的電路連接所用的元件，并將差分放大器的輸出端接毫伏表，將P-N結(jié)溫度傳感器接入傳感端，Vt接數(shù)字電壓表。數(shù)字電壓表置于2V檔，顯示環(huán)境的絕對溫度。3.3開啟儀器的電源并預(yù)熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋的 Wd電位器， 使測試系統(tǒng)的輸出為零，并記錄此時(shí)的溫度T。3.4開啟加熱器電源，觀察輸

7、出電壓隨溫度上升所發(fā)生的變化，并記錄多組數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度漂移 V/ T。3.5將R4換成與應(yīng)變片處于同一個(gè)應(yīng)變梁上的補(bǔ)償片，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算新的溫度漂移并與之前的進(jìn)行比較。4.半導(dǎo)體單臂和半橋電路性能的比較4.1調(diào)零儀器，并按照電路圖連接電路，R'是半導(dǎo)體應(yīng)變片，R'是電橋上的固定電阻，直流激勵(lì)電源為土 2V ;開啟電源后預(yù)熱數(shù) 分鐘。4.2調(diào)節(jié)應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài)，調(diào)整電橋Wd電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。4.3旋動(dòng)測微頭，以向上向下各5mm為限,0.5mm為間隔記錄數(shù)據(jù)x, V ,并作x-V曲線， 計(jì)算靈敏度4.4重新調(diào)整應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài),并重新調(diào)整輸出為零。用P

8、-N結(jié)溫度傳感器測出系統(tǒng)的4.5按照電路圖連接半導(dǎo)體半橋雙臂電路，半導(dǎo)體應(yīng)變片處于同一橋側(cè)，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，比較兩種半導(dǎo)體橋路的靈 敏度和溫度漂移。5.相關(guān)注意事項(xiàng)5.1在進(jìn)行先向上再向下的位移操作中,開計(jì)算靈敏度以后再取平均得到。易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移； 計(jì)算式可以將正負(fù)兩個(gè)方向的厶 x分?jǐn)?shù)據(jù)記錄與處理：單臂電橋數(shù)據(jù)起始位置 X0=10.950mm X1(mm)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0u（v）0.000-0.007-0.011-0.014-0.022-0.029-0.032-0.038-0.043-0.049-0.053 X2(mm)00.

9、51.01.52.02.53.03.54.04.55.0U(V)-0.016-0.010-0.009-0.004-0.0000.0030.0090.0130.0180.0230.028半橋數(shù)據(jù)起始位置 X0=10.950mm X1(mm)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0U(V)0.000-0.008-0.016-0.030-0.042-0.050-0.062-0.072-0.082-0.095-0.102 X2(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.06

10、00.0740.0910.1020.1160.125電壓-位移關(guān)系結(jié)果與分析:并且擬合出直線，如上圖所示:將單臂電橋和半橋的數(shù)據(jù)繪制成坐標(biāo)散點(diǎn)圖，根據(jù)圖中所添加的擬合直線，在直線上取樣計(jì)算斜率，可以得到以下四個(gè)斜率，表現(xiàn)為各自的靈敏度：使用MLS ,測量電路的靈敏度kv= V/ x=(Xi x)yi(Xi X)2負(fù)向形變，單臂電橋 X1(mm)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5U(V) 丁0-0.007-0.011-0.014-0.022-0.029-0.032-0.038-0.043-0.049-0.053Xavg=-2.5Xi-Xavg=2.521.510.50

11、-0.5-1-1.5-2-2.5 xi*yi=0-0.014-0.0165-0.014-0.01100.0160.0380.06450.0980.1325SUM xy0.2935(Xi-Xavg)A26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUM xA227.5k=0.0106正向形變，單臂電橋 X2(mm)00.511.522.533.544.55U(V)-0.016-0.01-0.009-0.00400.0030.0090.0130.0180.0230.028Xavg=2.5Xi-Xavg=-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5 xi*yi=0.040.

12、020.01350.004000.00450.0130.0270.0460.07SUM xy0.238(Xi-Xavg)A26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUM xA227.5k=0.00865負(fù)向形變，半橋 X1(mm)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5U(V)0-0.008-0.016-0.03-0.042-0.05-0.062-0.072-0.082-0.095-0.102Xavg=-2.5Xi-Xavg=2.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5 xi*yi=0-0.016-0.024-0.03-0.02100.03

13、10.0720.1230.190.255SUM xy0.58(Xi-Xavg)A26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUM xA227.5k=0.0210正向形變，半橋 X2(mm)00.511.522.533.544.55U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.060.0740.0910.1020.1160.125Xavg=2.5Xi-Xavg=-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5 xi*yi=-0.0075-0.032-0.039-0.036-0.0200.0370.0910.150.2320.31SUM xy0.6865(

14、Xi-Xavg)A26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUM xA227.5k=0.0249綜合以上四個(gè)計(jì)算結(jié)果來看:單位：V/mm單臂電橋正向靈敏度0.00865半橋正向靈敏度0.0249單臂電橋負(fù)向靈敏度0.0106半橋負(fù)向靈敏度0.0210單臂電橋平均靈敏度0.00912半橋平均靈敏度0.0229從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到的結(jié)果可見，半橋電路的靈敏度比單臂電橋的靈敏度的兩倍還要高一些kv2=0.0229>2*kv仁0.01824 ，這與理論計(jì)算上的 kv2=2*kv1不相同，而半橋的靈敏度是嚴(yán)格等于0.5U的，說明實(shí)際上單臂電橋測量電路存在溫度漂移和非線性誤差，導(dǎo)致其

15、實(shí)際的靈敏度要低于0.25U，原因是應(yīng)變電阻的變化量相比于固定電阻的阻值不可以被忽略。討論、建議與質(zhì)疑：1. 電阻應(yīng)變片的工作原理是利用了金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值也要發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是電阻應(yīng)變值關(guān)于形變量的表達(dá)式中的一個(gè)系數(shù)，其物理意義是單位應(yīng)變量引起的電阻值相對變化的大小，靈敏系數(shù)與金屬材料的幾何尺寸變化，以及材料本身的特性都有關(guān)系。半導(dǎo)體材料相比于金屬材料，前者主要以圧阻效應(yīng)為主，即電阻產(chǎn)生變化的原因是由于應(yīng)變引起能帶的變形，從而使能帶中的載流子發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻率的變化，因此能夠反映出細(xì)微的變化，從而具有高于金屬材料的靈敏系數(shù)。2.

16、 單臂電橋， 半橋， 全橋電路的共同點(diǎn)是應(yīng)用了不平衡電橋的特點(diǎn)，將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電橋中的電壓輸出， 再通過相關(guān)的轉(zhuǎn)換測量電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于使用的物理值。三種橋式電路的不同點(diǎn)是所含有的應(yīng)變片的數(shù)量，分別為一片，兩片和四片。由于增加了應(yīng)變片，使得某一個(gè)橋臂上的電阻變化量能夠消去其中微小不確定量，從而使得橋式測量電路的靈敏度得到很大的提升。3.導(dǎo)致應(yīng)變片阻值變化的因素有外力導(dǎo)致的應(yīng)變片形變,和外界溫度的影響。對測量橋路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ牵?將電橋上與電阻應(yīng)變片同側(cè)的固定電阻換成相同阻值,同種材料性質(zhì),但是受力應(yīng)變方向相互垂直的應(yīng)變片;在這種情況下,溫度變化對兩個(gè)應(yīng)變片的影響效果相同,從而保證了電橋兩邊的平衡狀態(tài)（或理論的非平衡狀態(tài)）,消除了溫度帶來的影響。4.在對應(yīng)變效應(yīng)的表達(dá)式推導(dǎo)中，得到這樣的結(jié)論LL計(jì)，其中系5.數(shù)k被表達(dá)為單位形變量下的電阻值變化量,符合k