大學(xué)物理-電阻應(yīng)變式傳感器 實驗報告

1、 大連理工大學(xué)大 學(xué) 物 理 實 驗 報 告院（系）姓 名實驗時間材料學(xué)院專業(yè)實驗臺號月 日，第 周，星期班級學(xué)號年第節(jié)實驗名稱電阻應(yīng)變式傳感器教師評語實驗?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)的影響和溫度補償方法主要儀器設(shè)備：CSY 10A型傳感器系統(tǒng)實驗儀實驗原理和內(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)生機械變形時， 其阻值也會發(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

2、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：L金屬絲的原始電阻值為R， 收到軸向拉力時， 發(fā)生電阻值變化R， 變化比例的表達式為：SRLS， 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RLSRLLL(1 2 )k行改寫， 得到， 其中系數(shù) k 稱為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，RLLL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- 1 - 導(dǎo)體的靈敏系數(shù)要遠大于金屬的靈敏系數(shù)。 （由于受力會影響到半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運動， 固可以非常靈敏地反映細微的變化）2. 電阻式應(yīng)變傳感器的測量電路駁接阻抗極高的儀器時， 認為電橋的輸出

3、端斷路， 只輸出電壓信號； 根據(jù)電橋的平衡原理，只有當電橋上的應(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VkvR /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R4 R3只接入一個應(yīng)變電阻片， 其余為固定電阻。 設(shè)電橋的橋臂比為n， 根據(jù)電橋的工作R1 R2nU R1， 同原理， 并忽略一些極小的無影響的量， 可以得到輸出電壓的表達式為V(1 n)2 R1V nU時得到單臂電橋靈敏度表達式kR /R (1 n)2v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。2.2 半橋如圖， 接入兩個

4、應(yīng)變電阻和固定電阻， 設(shè)初始狀態(tài)為 R1=R2=R3=R4=R, R1= R2= R ， 可以1 R2 R1得到電壓表達式VU， 半橋靈敏度表達式k U2， 可見輸出電壓與電阻的變化嚴格呈v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。2.3 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， 根據(jù)電橋性質(zhì)可以得到電壓及靈敏- 2 - RURSVU， 可見差動電橋的靈敏度比單臂電橋提高了 4 倍， 故度的表達式V廣泛被使用。，R/R補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償片， 且原始電阻值相等； 這樣在實際使

5、用中， 由于溫度造成的電阻值變化被抵消， 且補償片不受力， 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)的電路圖連接實驗所需的元件， 組成箔式單臂電橋電路。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)。1.4 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。1.5 旋動測微頭， 帶動懸臂梁分別向上和向下運動各 5mm ， 其中測微頭每移動 0.5mm 記錄一次差動放大器輸出

6、的電壓值； 然后畫出 x-V 曲線， 并計算橋路的靈敏度 kv=V/x2. 箔式單臂、 半橋、 全橋電路的性能比較基本操作過程與實驗 1 相同， 其中連接電路部分分別使用上下梁的兩個應(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。 并進行實驗， 記錄數(shù)據(jù)。在同一坐標上畫出三種橋路的 x-V 曲線， 并進行靈敏度的比較。3. 箔式應(yīng)變片的溫度效應(yīng)及應(yīng)變電路的溫度補償3.1 參照實驗 1 的步驟， 將差動器的部件調(diào)零3.2 參照實驗 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

7、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- 3 - 時的溫度 T。3.4 開啟加熱器電源， 觀察輸出電壓隨溫度上升所發(fā)生的變化， 并記錄多組數(shù)據(jù)， 計算溫度漂移V/T 。3.5 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)以上實驗數(shù)據(jù)， 計算新的溫度漂移并與之前的進行比較。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，直流激勵電源為±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

8、系統(tǒng)輸出為零。4.3 旋動測微頭， 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-N 結(jié)溫度傳感器測出系統(tǒng)的溫漂。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)以上實驗步驟，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5.1 在進行先向上再向下的位移操作中， 易產(chǎn)生零點漂移； 計算式可以將正負兩個方向的x 分開計算靈敏度以后再取平均得到。- 4 - 數(shù)據(jù)記錄與處理：單臂電橋數(shù)據(jù)起始位置 X0=10.950mm-0.007 -0

9、.011 -0.014 -0.022 -0.029 -0.032 -0.038 -0.043 -0.049 -0.0530.5X2(mm)U(V)-0.016 -0.010 -0.009 -0.004 -0.000 0.0030.0090.0130.0180.0230.028半橋數(shù)據(jù)起始位置 X0=10.950mm-0.008 -0.016 -0.030 -0.042 -0.050 -0.062 -0.072 -0.082 -0.095 -0.1020.5X2(mm)U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.0600.0740.0910.1020.1160.125- 5 -

10、 單臂電橋電壓(V)半橋電壓(V)0024- 6 - 結(jié)果與分析：將單臂電橋和半橋的數(shù)據(jù)繪制成坐標散點圖， 并且擬合出直線， 如上圖所示：根據(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：(x x)y使用 MLS ， 測量電路的靈敏度 kv=V/x=ii ，(x x )2i負向形變， 單臂電橋-0.007 -0.011 -0.014 -0.022 -0.029 -0.032 -0.038 -0.043 -0.049 -0.053Xavg=-2.5Xi-Xavg= 2.5 21.5 10.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5xi*yi=

11、0-0.014 -0.0165 -0.014 -0.011 0 0.016 0.038 0.0645 0.098 0.1325SUM xy 0.2935(Xi-Xavg)2 6.25 4SUM x2 27.52.25 10.25 0 0.25 1 2.25 4 6.25k=0.0106正向形變， 單臂電橋-0.0162.5-0.01 -0.009 -0.004 00.003 0.009 0.013 0.018 0.023 0.028xi*yi= 0.04 0.02 0.0135 0.004 0 0 0.0045 0.013 0.027 0.046 0.07SUM xy 0.2386.25k=0

12、.00865負向形變， 半橋-0.008 -0.016 -0.03 -0.042 -0.05 -0.062 -0.072 -0.082 -0.095 -0.102-2.50.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5xi*yi= 0-0.016 -0.024 -0.03 -0.021 0 0.031 0.072 0.123 0.19 0.2552.25 10.25 0 0.25 12.25 4 6.25k=0.0210- 7 - 正向形變， 半橋0.0032.50.016 0.026 0.036 0.049 0.06 0.074 0.091 0.102 0.116 0.125Xavg=X

13、i-Xavg= -2.5 -2-1.5 -1-0.5 0 0.5 11.5 22.5xi*yi= -0.0075 -0.032 -0.039 -0.036 -0.02 0 0.037 0.091 0.15 0.232 0.31SUM xy 0.6865(Xi-Xavg)2 6.25 4SUM x2 27.52.25 10.25 0 0.25 12.25 46.25k=0.0249綜合以上四個計算結(jié)果來看：單位： V/mm單臂電橋正向靈敏度 0.00865單臂電橋負向靈敏度 0.0106單臂電橋平均靈敏度 0.00912半橋正向靈敏度半橋負向靈敏度半橋平均靈敏度0.02490.02100.022

14、9從實驗數(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*kv1 不相同， 而半橋的靈敏度是嚴格等于 0.5U的， 說明實際上單臂電橋測量電路存在溫度漂移和非線性誤差， 導(dǎo)致其實際的靈敏度要低于 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)于形變量的表達式中的一個系數(shù)， 其物理意義是單位應(yīng)變

15、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， 因此能夠反映出細微的變化， 從而具有高于金屬材料的靈敏系數(shù)。2. 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

16、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- 8 - 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。 對測量橋路進行溫度補償?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。RLL L(1 2 )k4. 在對應(yīng)變效應(yīng)的表達式推導(dǎo)中， 得到這樣的結(jié)論， 其中系RL L L數(shù) k 被表達為單位形變量下的電阻值變化量， 符合 kv=V/x 的表達意義， 因此兩者是等效的。5. 關(guān)于本