電阻應變式傳感器實驗報告

--2-大連理工大學成績教師簽字院〔系〕 材料學院 專業(yè) 材料物理 班級 0705成績教師簽字姓 名 童凌煒 學號 202367025 試驗臺號試驗時間2023 年03 月06日，第二周，星期五第 5-6 節(jié)試驗名稱 電阻應變式傳感器教師評語試驗目的與要求：學習電阻應變式傳感器的根本原理、構造、特性和使用方法測量比較幾種應變式轉換電路的輸出特性和靈敏度了解溫度變化對應變測試系統(tǒng)的影響和溫度補償方法主要儀器設備：CSY10A型傳感器系統(tǒng)試驗儀試驗原理和內容：應變效應阻應變片的工作原理即是基于這種效應，將本身受力形變時發(fā)生的阻值變化通過測量電路轉換為可使用的電壓變化等以供給相關力的大小。金屬絲的電阻應變量可由以下算式表達：金屬絲的原始電阻值為RLRSRLS

，依據金屬絲在力學和材料學上的相關性質，在彈性范圍內可以對公式進R L SR行改寫，得到

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L L

kL，其中系數k稱為電阻應變片的靈敏系數，R L L L表示單位應變量引起的電阻值變化，它與金屬絲的幾何尺寸變化和本身的材料特性有關；一般半導體的靈敏系數要遠大于金屬的靈敏系數。〔由于受力會影響到半導體內部的載流子運動，固可以格外靈敏地反映微小的變化〕電阻式應變傳感器的測量電路轉換電路的作用是將電阻變化轉換成電壓或電流輸出，電阻應變式傳感器中常用的是橋式電路，本試驗使用直流電橋。駁接阻抗極高的儀器時，認為電橋的輸出端斷路，只輸出電壓信號；依據電橋的平衡原理，只有當電橋上的應變電阻發(fā)生阻值變化時，電壓信號即發(fā)生變化； 電橋的靈敏度定義為k Vv 依據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：單臂電橋R4R3n，依據電橋的工作R1R2原理，并無視一些微小的無影響的量，可以得到輸出電壓的表達式為V nU R1，同(1n)2 R1時得到單臂電橋靈敏度表達式kv

V nU(1n)2單臂電橋的實際輸出電壓與電阻變化的關系是非線性的，存在非線性誤差，故不常使用。半橋如圖，接入兩個應變電阻和固定電阻，設初始狀態(tài)為R1=R2=R3=R4=R, ΔR1=ΔR2=ΔR，可以得到電壓表達式V 1RU，半橋靈敏度表達式k 1U，可見輸出電壓與電阻的變化嚴格呈2R v 2線性關系，不存在線性誤差，靈敏度比單臂電橋提高了一倍。全橋全部電阻都使用應變電阻，且相鄰的兩個臂的受力方向相反，依據電橋性質可以得到電壓及靈敏度的表達式V廣泛被使用。

RU，S VR

U4倍，故補償片的方法消退溫度帶來的漂移誤差：在單臂電橋中，將與工作電阻同側的固定電阻更換成一樣受力方向的補償片，且原始電阻值相等；這樣在實際使用中，由于溫度造成的電阻值變化被步驟與操作方法：箔式單臂電橋的性能差動放大器調零，翻開所用單元的100倍，并進展相關的其他調零處置。之后關閉電源依據右側的電路圖連接試驗所需的元件，組成箔式單臂電橋電路。調整懸臂梁頭部鐵心吸合的測微頭，使應變梁處以根本水平狀態(tài)。確定連線無誤以后，啟動儀器電源并預熱數分鐘；調整電橋Wd電位器，使測試系統(tǒng)的輸出為零。5mm0.5mm記錄一次差動放大器輸出的電壓值；然后畫出x-V曲線，并計算橋路的靈敏度kv=ΔV/Δx箔式單臂、半橋、全橋電路的性能比較1在同一坐標上畫出三種橋路的x-V曲線，并進展靈敏度的比較。箔式應變片的溫度效應及應變電路的溫度補償1的步驟，將差動器的部件調零1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結溫度傳感器接入傳感端，Vt2V檔，顯示環(huán)境確實定溫度。開啟儀器的電源并預熱數分鐘。調整電橋的Wd電位器，使測試系統(tǒng)的輸出為零，并記錄此時的溫度T。ΔV/ΔT。將R4換成與應變片處于同一個應變梁上的補償片，重復以上試驗數據，計算的溫度漂移并與之前的進展比較。半導體單臂和半橋電路性能的比較調零儀器，并依據電路圖連接電路，R’是半導體應變片，R直流鼓勵電源為±2V分鐘。調整應變梁處于根本水平狀態(tài)，調整電Wd電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。5mm為限，0.5mm為間隔記錄數據x，V，并作x-V算靈敏度重調整應變梁處于根本水平狀態(tài)，并重調整輸出為零。用P-N結溫度傳感器測出系統(tǒng)的溫漂。依據電路圖連接半導體半橋雙臂電路，半導體應變片處于同一橋側，重復以上試驗步驟，比較兩種半導體橋路的靈敏度和溫度漂移。相關留意事項在進展先向上再向下的位移操作中，易產生零點漂移；計算式可以將正負兩個方向的Δx分開計算靈敏度以后再取平均得到。數據記錄與處理：單臂電橋數據起始位置X0=10.950mmΔX1(mm)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0U(V)0.000-0.007-0.011-0.014-0.022-0.029-0.032-0.038-0.043-0.049-0.053ΔX2(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0U(V)-0.016-0.010-0.009-0.004-0.0000.0030.0090.0130.0180.0230.028半橋數據起始位置X0=10.950mmΔX1(mm)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0U(V)0.000-0.008-0.016-0.030-0.042-0.050-0.062-0.072-0.082-0.095-0.102ΔX2(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.0600.0740.0910.1020.1160.125電壓-位移關系0.15U〔V〕0.10.050-6 -4 -2 0 2 4 X〔mm〕6

單臂電橋電壓(V)半橋電壓(V)-0.05-0.1-0.15結果與分析：將單臂電橋和半橋的數據繪制成坐標散點圖，并且擬合出直線，如上圖所示：依據圖中所添加的擬合直線，在直線上取樣計算斜率，可以得到以下四個斜率，表現為各自的靈敏度：(xx)y，MLS，測量電路的靈敏度kv=ΔV/Δx=，負向形變，單臂電橋

i i(xx)2iΔX1(mm)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5U(V)0-0.007-0.011-0.014-0.022-0.029-0.032-0.038-0.043-0.049-0.053Xavg=-2.5Xi-Xavg=2.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5Δxi*yi=0-0.014-0.0165-0.014-0.01100.0160.0380.06450.0980.1325SUMΔxy0.2935(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.0106正向形變，單臂電橋ΔX2(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=-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5Δxi*yi=0.040.020.01350.004000.00450.0130.0270.0460.07SUMΔxy0.238(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.00865負向形變，半橋ΔX1(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=2.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5Δxi*yi=0-0.016-0.024-0.03-0.02100.0310.0720.1230.190.255SUMΔxy0.58(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.0210正向形變，半橋ΔX2(mm)00.511.522.533.544.55U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.060.0740.0910.1020.1160.125Xavg=2.5Xi-Xavg=-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5Δxi*yi=-0.0075-0.032-0.039-0.036-0.0200.0370.0910.150.2320.31SUMΔxy0.6865(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.0249綜合以上四個計算結果來看：單臂電橋正向靈敏度0.00865半橋正向靈敏度單臂電橋正向靈敏度0.00865半橋正向靈敏度0.0249單臂電橋負向靈敏度0.0106半橋負向靈敏度0.0210單臂電橋平均靈敏度0.00912半橋平均靈敏度0.0229從試驗數據中得到的結果可見，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*kv1=0.01824，這與理論計算上的kv2=2*kv10.5U0.25U，緣由是應變電阻的變化量相比于固定電阻的阻值不行以被無視。爭論、建議與質疑：電阻應變片的工作原理是利用了金屬的應變效應，即金屬材料在外力作用下發(fā)生氣械變形時，其阻值也要發(fā)生相應的變化。電阻應變片的靈敏系數是電阻應變值關于形變量的表達式中的一個系數，其物理意義是單位應變量引起的電阻值相對變化的大小，靈敏系數與金屬材料的幾何尺寸變電阻產生變化的緣由是由于應變引起能帶的變形，從而使能帶中的載流子發(fā)生變化，導致電阻率單臂電橋，半橋，全橋電路的共同點是應用了不平衡電橋的特點，將阻值的變化轉換為電橋中的電壓輸出，再通過相關的轉換測量電路，將電壓信號轉換為便于使用的物理值。三種橋式電路的不同點是所含有的應變片的數量，分別為一片，兩片和四片。由于增加了應變片，使得某一個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。導致應變片阻值變化的因素有外力導致的應變片形變，和外界溫度的影響。對測量橋路進展溫度補償的方法是，將電橋上與電阻應變片同側的固定電阻換成一樣阻值，同種材料性質，但是受力應變方向相互垂直的應變片；在這種狀況下，溫度變化對兩個應變片的影響效果一樣，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)，消退了溫度帶來的影響。R在對應變效應的表達式推導中，得到這樣的結論

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