電阻應(yīng)變式傳感器實驗報告

--2-大連理工大學(xué)成績教師簽字院〔系〕 材料學(xué)院 專業(yè) 材料物理 班級 0705成績教師簽字姓 名 童凌煒 學(xué)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(yīng)變式傳感器教師評語試驗?zāi)康呐c要求：學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變式傳感器的根本原理、構(gòu)造、特性和使用方法測量比較幾種應(yīng)變式轉(zhuǎn)換電路的輸出特性和靈敏度了解溫度變化對應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響和溫度補償方法主要儀器設(shè)備：CSY10A型傳感器系統(tǒng)試驗儀試驗原理和內(nèi)容：應(yīng)變效應(yīng)阻應(yīng)變片的工作原理即是基于這種效應(yīng)，將本身受力形變時發(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供給相關(guān)力的大小。金屬絲的電阻應(yīng)變量可由以下算式表達(dá)：金屬絲的原始電阻值為RLRSRLS

，依據(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 L SR行改寫，得到

(12)

L L

kL，其中系數(shù)k稱為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，R L L L表示單位應(yīng)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(guān)；一般半導(dǎo)體的靈敏系數(shù)要遠(yuǎn)大于金屬的靈敏系數(shù)?！灿捎谑芰绊懙桨雽?dǎo)體內(nèi)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(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，本試驗使用直流電橋。駁接阻抗極高的儀器時，認(rèn)為電橋的輸出端斷路，只輸出電壓信號；依據(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，電壓信號即發(fā)生變化； 電橋的靈敏度定義為k Vv 依據(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：單臂電橋R4R3n，依據(jù)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(dá)式為V nU R1，同(1n)2 R1時得到單臂電橋靈敏度表達(dá)式kv

V nU(1n)2單臂電橋的實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。半橋如圖，接入兩個應(yīng)變電阻和固定電阻，設(shè)初始狀態(tài)為R1=R2=R3=R4=R, ΔR1=ΔR2=ΔR，可以得到電壓表達(dá)式V 1RU，半橋靈敏度表達(dá)式k 1U，可見輸出電壓與電阻的變化嚴(yán)格呈2R v 2線性關(guān)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(yīng)變電阻，且相鄰的兩個臂的受力方向相反，依據(jù)電橋性質(zhì)可以得到電壓及靈敏度的表達(dá)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(cè)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(diào)零，翻開所用單元的100倍，并進(jìn)展相關(guān)的其他調(diào)零處置。之后關(guān)閉電源依據(jù)右側(cè)的電路圖連接試驗所需的元件，組成箔式單臂電橋電路。調(diào)整懸臂梁頭部鐵心吸合的測微頭，使應(yīng)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(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。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(biāo)上畫出三種橋路的x-V曲線，并進(jìn)展靈敏度的比較。箔式應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及應(yīng)變電路的溫度補償1的步驟，將差動器的部件調(diào)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(jié)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(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，并記錄此時的溫度T。ΔV/ΔT。將R4換成與應(yīng)變片處于同一個應(yīng)變梁上的補償片，重復(fù)以上試驗數(shù)據(jù)，計算的溫度漂移并與之前的進(jìn)展比較。半導(dǎo)體單臂和半橋電路性能的比較調(diào)零儀器，并依據(jù)電路圖連接電路，R’是半導(dǎo)體應(yīng)變片，R直流鼓勵電源為±2V分鐘。調(diào)整應(yīng)變梁處于根本水平狀態(tài)，調(diào)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(shù)據(jù)x，V，并作x-V算靈敏度重調(diào)整應(yīng)變梁處于根本水平狀態(tài)，并重調(diào)整輸出為零。用P-N結(jié)溫度傳感器測出系統(tǒng)的溫漂。依據(jù)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)以上試驗步驟，比較兩種半導(dǎo)體橋路的靈敏度和溫度漂移。相關(guān)留意事項在進(jìn)展先向上再向下的位移操作中，易產(chǎn)生零點漂移；計算式可以將正負(fù)兩個方向的Δx分開計算靈敏度以后再取平均得到。數(shù)據(jù)記錄與處理：單臂電橋數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guān)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(jié)果與分析：將單臂電橋和半橋的數(shù)據(jù)繪制成坐標(biāo)散點圖，并且擬合出直線，如上圖所示：依據(jù)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(xiàn)為各自的靈敏度：(xx)y，MLS，測量電路的靈敏度kv=ΔV/Δx=，負(fù)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(fù)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(jié)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(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從試驗數(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*kv1=0.01824，這與理論計算上的kv2=2*kv10.5U0.25U，緣由是應(yīng)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(zhì)疑：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)生氣械變形時，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電阻產(chǎn)生變化的緣由是由于應(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)致電阻率單臂電橋，半橋，全橋電路的共同點是應(yīng)用了不平衡電橋的特點，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，將電壓信號轉(zhuǎn)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(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(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)展溫度補償?shù)姆椒ㄊ?，將電橋上與電阻應(yīng)變片同側(cè)的固定電阻換成一樣阻值，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；在這種狀況下，溫度變化對兩個應(yīng)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(yīng)變效應(yīng)的表達(dá)式推導(dǎo)中，得到這樣的結(jié)論

(12)