應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)

1、塔里木大學(xué)課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱傳感器原理與應(yīng)用班級計(jì)算機(jī)17-3實(shí)驗(yàn)日期2015年11月2日姓名楊靜、姚麗、黃婷學(xué)號5011213318、5011213313、5011213325實(shí)驗(yàn)成績實(shí)驗(yàn)名稱應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙罅私怆娮钁?yīng)變片的工作原理與應(yīng)用并掌握應(yīng)變片測量電路實(shí)驗(yàn)環(huán)境1.CSY3000型傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺2.需用器件與單元：主機(jī)箱中的±2V±10V（步進(jìn)可調(diào)）直流穩(wěn)壓電源、±15V直流穩(wěn)壓電源、電壓表；應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼； 4位數(shù)顯萬用表。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測量應(yīng)變片的阻值重量（g）02040608010012014016018

2、0200電阻R1（歐姆）350.46350.48350.49350.50350.52350.53350.55350.56350.58350.60350.61重量（g）020406080100120140160180200電阻R2（歐姆）350.55350.53350.52350.51350.50350.48350.46350.44350.42350.41350.39重量（g）020406080100120140160180200電阻R3（歐姆）350.42350.44350.45350.46350.48350.50350.52350.53350.55350.57350.58重量（g）02040

3、6080100120140160180200電阻R4（歐姆）350.82350.81350.80350.78350.77350.75350.74350.72350.71350.69350.682.差分放大器調(diào)零算法描述及實(shí)驗(yàn)步驟1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得 （11）當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長度L、截面積A和電阻率的變化為dL、dA、d相應(yīng)的電阻變化為dR。對式（11）全微分得電阻

4、變化率 dR/R為： （12）式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量L; dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量r  由材料力學(xué)得：                 L= - r           (13)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負(fù)號表示兩者的變化方向相反。將式（13）代入式（12）得： （14）式（14）說明電阻

5、應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（幾何效應(yīng)）和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)）。2、應(yīng)變靈敏度它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。(1)、金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K：主要取決于其幾何效應(yīng)；可取 （15）其靈敏度系數(shù)為：k=金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí)電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在2左右。(2)、半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)；dR/R<d。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗羞h(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它

6、的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正（使電阻增大）的或負(fù)（使電阻減?。┑膲鹤栊?yīng)。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效果。半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少應(yīng)用。一般半導(dǎo)體應(yīng)變采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出敏感柵），制成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)）傳感器。

7、本實(shí)驗(yàn)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)金屬箔式應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖11所示。(a) 絲式應(yīng)變片                                  

8、0;      (b) 箔式應(yīng)變片圖11應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： RRK 式中：RR為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù),=L/L為電阻絲長度相對變化。5、測量電路為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好地滿足各種應(yīng)變測量要求，因此在應(yīng)變測

9、量中得到了廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D12（a）、（b）、（c）所示。（a）單臂 （b）半橋 （c）全橋圖12 應(yīng)變片測量電路（a）、單臂UoUU(R1R1)(R1R1R5)R7(R7R6)E（R7R6）（R1R1）R7（R5R1R1）（R5R1R1）（R7R6）E設(shè)R1R5R6R7，且R1R1RR1，RRK，K為靈敏度系數(shù)。則Uo(14)(R1R1)E(14)(RR)E(

10、14)KE(b)、雙臂(半橋)同理:Uo(12)(RR)E(12)KE(C)、全橋同理:Uo(RR)EKE6、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖 圖13 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖圖中R5、R6、R7為350固定電阻，R1為應(yīng)變片； RW1和R8組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)，E為供橋電源±4V。橋路輸出電壓Uo(14)(R4R4)E(14)(RR)E(14)KE 。差動放大器輸出為Vo。調(diào)試過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、將托盤安裝到傳感器上，如圖14所示。 2、測量應(yīng)變片的阻值：當(dāng)傳感器的托盤上無重物時(shí)，分別測量應(yīng)變片R1、R2、R3、R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3、R

11、4的阻值變化，分析應(yīng)變片的受力情況（受拉的應(yīng)變片：阻值變大，受壓的應(yīng)變片：阻值變小。）。3、實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械牟顒臃糯笃髡{(diào)零：按圖16示意接線，將主機(jī)箱上的電壓表量程切換開關(guān)切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器RW3合適位置(先順時(shí)針輕輕轉(zhuǎn)到底，再逆時(shí)針回轉(zhuǎn)1圈)后，再調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器RW4，使電壓表顯示為零。4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)：關(guān)閉主機(jī)箱電源，按圖17示意圖接線，將±2V±10V可調(diào)電源調(diào)節(jié)到±4V檔。檢查接線無誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1，使主機(jī)箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼(盡量靠近托盤的中心點(diǎn)放置)，讀取相應(yīng)的數(shù)顯表電壓值，記下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。表1 應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重量（g）020406080100120140160180200電壓（mv）05914182327313640445、根據(jù)表1數(shù)據(jù)作出曲線并計(jì)算系統(tǒng)靈敏度SV/W（V輸出電壓變化量，W重