应变传感器
应变式传感器
E x
电阻应变片的工作原理
—轴向应力
E x
—纵向压阻系数，(40～80) 10－11m 2 / N
E —电阻丝材料弹性模量，1.67 1011 N / m 2
E 66 ~ 133
R 所以 E x R
特点：比金属 丝式灵敏度高， 输出电流大， 但非线性严重， 温度稳定性较 差。
电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变 的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。
电阻式传感器
两大常用类型
应变式传感器是基于测量导体或者半导体受力变形所产生应变 而导致电阻变化的一类传感器，最常用的传感元件为电阻应变 片。 其中半导体的应变效应又称为半导体的压阻效应。 基于半导体压阻效应的电阻式传感器是现代固态压力，加速度 等力学传感器的基础。
应变片的布置与桥接方式
R1、R3串接，R2、R4串接并置 于相对臂，减小弯矩影响；横 向贴片作温度补偿。
应变片的布置与桥接方式
电阻应变式传感器的特点和应用
电阻应变式传感器特点： ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
电阻应变片的静态特性
应变极限
应变计的线性（灵敏系数为常数）特性，只有 在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输 入的真实应变超过某一极限值时，应变计的输 出特性将呈现非线性。在恒温条件下，使非线 性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限。
6. 绝缘电阻和最大工作电流 电阻应变片的静态特性
绝缘电阻和最大工作电流
电阻应变片的基本结构
第2章 应变式传感器(电阻式传感器)
工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所
代替。
(a)
(b)
(c)
图 2.2金属丝式应变计常见形势
第2章 应变式传感器
箔式应变计（实验中用的）的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄 的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）。与丝式应变计相比有如下优 点:
(1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离 散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为 0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过 较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传 递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高
式中, 应力 l T E (金属或者半导体的弹性模量) E l 其中, ε=Δl/l为轴向应变。 则有
第2章 应变式传感器
k0
R / R
1 2 E
对金属来说, πE很小, 可忽略不计, μ=0.25～0.5, 故k
因此, 将同样长的金属线材做成敏感栅后, 对同样应 变, 应变计敏感栅的电阻变化较小, 灵敏度有所降低。 这 种现象称为应变计的横向效应。
第2章 应变式传感器
下面计算横向效应引起的误差。
图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应 变为εX ，沿横向应变为εY 。
X
θ
dl
dθ
丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分
第2章 应变式传感器
k0为单根导电丝的灵敏系数, 表示当发生应变时, 其电阻变 化率与其应变的比值。 k0的大小由两个因素引起, 一项是由 于导电丝的几何尺寸的改变所引起, 由（1+2μ）项表示, 另 一项是导电丝受力后, 材料的电阻率ρ发生变化而引起, 由
应变式传感器结构组成
应变式传感器结构组成
应变式传感器是一种常用于测量物体应变或变形的传感器。
它的结构组成通常包括以下几个部分：
应变片（Strain Gauge）：应变片是应变式传感器的核心部件，通常由金属箔或薄膜制成。
当物体受到应变或变形时，应变片会发生形变，从而改变其电阻值。
基座（Backing Material）：基座是应变片的支撑结构，通常由非导电材料制成，用于固定和保护应变片。
导线（Lead Wires）：导线用于连接应变片与测量电路，将应变片的电阻变化转化为电信号。
粘合剂（Adhesive）：粘合剂用于将应变片固定在被测物体上，确保应变片与被测物体之间的紧密接触。
支撑结构（Support Structure）：支撑结构用于支撑和保护整个传感器，通常由金属或塑料材料制成。
电缆（Cable）：电缆用于将传感器的信号传输到测量仪器或数据采集系统。
以上是应变式传感器常见的结构组成，不同类型的应变式传感器可能会有一些额外的组件或特殊设计，以适应不同的测量需求和环境条件。
第二章_应变式传感器_
t K e g 0
t K g e
即
选择应变片时，若使其电阻温度系数 t 和线膨胀系数 与 g 满足上式的条件，即可实现温度自补 e 偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。
②双丝组合式自补偿应变片
第二章
是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种 为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度 范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。 这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两 段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号 相反，即
B R1 R2 Rg
A
R3 R4
C
Ig
D
E
电桥线路原理图
第二章
当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。 若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开 路。 当
R i Ri
Ei R1 R2 R3 R4i Ug ( ) 4 R R R R Ei K ( 1 - 2 - 3 4 ) 4
4 零点漂移和蠕变
零点漂移产生原因：敏感栅通电后的温度效应； 应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应 变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。 一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。 产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传 到敏感栅的应变量逐渐减少。
第二章
电桥补偿法
R1 U0 Rb R1 +⊿R Rb -⊿R
R3
U
R4
R1＋⊿R Rb－⊿R U0
F
R1 Rb
F
R3 U
R4
——电阻率的相对
——截面积的相对变化。
第二章、应变式传感器1
（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数； （2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。
3.4 电阻应变片的测量电路
单臂应变电桥
工作臂 双臂应变电桥 全臂应变电桥
应
变
电源
直流电桥：
电
交流电桥:
桥
电源端对称
桥臂关系 半等臂电桥 输出端对称
全等臂电桥
3.4.1 直流电桥
平衡条件 R1R4=R2R3
n=R2/R1=R4/R3
常用金属薄膜应变片
金属应变片的基本结构
转换元件 F
敏感元件
二、半导体应变片结构 体型、薄膜型和扩散型
1、体型半导体应变片 半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小
条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。
体型半导体应变片的结构
2、薄膜型半导体应变片
通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积 半导体材料薄膜而制成。
对电阻丝材料应有如下要求：
① 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大； ③ 电阻温度系数小，以免环境温度变化改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于 它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形 范围内能保持为常数， 进入塑性变形范围内也基本上 能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当 采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在 ±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊 接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
Κ κ 卡帕 Kappa 介质常数 Λ λ 兰姆达 Lambda 波长（小写）；体积 Μ μ 缪 Mu 磁导系数；微 ;放大因数（小写） Ν ν 纽 Nu 磁阻系数 Ξ ξ 克西 Xi Ο ο 奥米克戎 Omicron Π π 派 Pi 圆周率=圆周÷直径=3.1416 Ρ ρ 柔 Rho 电阻系数（小写） Σ σ 西格玛 总和（大写），表面密度；跨导（小写） Τ τ 陶 Tau 时间常数 Υ υ 宇普西隆 Upsilon 位移 Φ φ 斐(佛爱) Phi 磁通； 角 Χ x 西 Chi Ψ ψ 普西 Psi 角速；介质电通量（静电力线）；角 Ω ω 欧米伽 Omega 欧姆（大写）；角速（小写）；
应变式传感器的分类
应变式传感器的分类
应变式传感器是一种常见的物理量传感器，可以通过测量应变来检测各种物理量，如力、压力、重量等。
根据不同的分类标准，应变式传感器有多种分类方式：
1. 根据用途分类：应变式传感器可以用于测量力、压力、重量等物理量，因此可以根据其用途分为测力传感器、称重传感器、压力传感器等。
2. 根据结构形式分类：应变式传感器可以根据其结构形式分为平膜片式、平行梁式、柱式、桥式、悬臂梁式、双梁式、轮辐式、压力环式、板环式等。
3. 根据敏感元件分类：应变式传感器主要由敏感元件和转换元件组成，因此也可以根据敏感元件的材料和结构分为金属电阻应变片和半导体应变片。
4. 根据测量范围分类：应变式传感器可以用于测量各种物理量，其测量范围也各不相同，因此可以根据测量范围分为微应变传感器和大量程传感器。
5. 根据输出信号分类：应变式传感器可以根据其输出信号的类型分为模拟输出和数字输出两种类型。
总之，应变式传感器的分类方式多种多样，可以根据不同的需求和标准进行选择。
传感器：第2章应变式传感器
如果电桥各臂都改变，则有
Ug
E
(R1 R1)(R4 R4 ) (R2 R2 )(R3 R3) (R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 )
（一）等臂电桥
当 R1 R2 R3 R4 时，称为等臂电桥。此时
Ug
E
R(R1 R2 R3 R4 ) R1R4 R2R3 (2R R1 R2 )(2R R3 R4 )
应变式传感器包括两部份，一是弹性敏感元件，将被 测量转换为应变；二是应变片，将应变转化为电阻 的变化。
被测量
应变量
弹性元件
电阻
应变片
变化
（一）柱式压力传感器 圆柱式压力传感器分为实心和空心两种。
柱式力传感器应变片的粘贴方式
对于柱式压力传感器其轴向应变和圆周方向应变与轴 向受力成正比例关系。
轴向应变
下面分析横向效应产生的原因。设轴向应变为 ， 横向应变为 r。
2006.9.11 JC204->
若敏感栅有 n 个纵栅，每根长为 l ，圆弧横栅的半
径为 r ，在轴向应变 作用下，全部纵栅的形
变 L1 nl 。
在半圆弧上取一小微元 dl rd ，上面的应变为
1 2
(
r )
1 2
(
r ) cos 2
一、压阻效应 单晶硅材料在受到应力后，其电阻率发生明显的变化，
这种现象被称为压阻效应。 对于一条形的半导体材料，其电阻变化与应变的关系
d ( r 2 ) r2
2 dr r
2 r
根据泊松效应，有
r 上式中 为泊松系数。
由实验结果有
通常 C 1
d C dV V
由于 V S l
dV V
dS S
应变传感器的工作原理
应变传感器的工作原理应变传感器是一种常见的传感器，它可以测量物体的应变变化，从而得出物体的变形情况。
应变传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等。
本文将介绍应变传感器的工作原理及其应用。
一、应变传感器的基本原理应变传感器是一种基于电阻变化的传感器。
当物体受力变形时，物体内部的应变会导致电阻的变化。
应变传感器利用这种电阻变化来测量物体的应变变化。
应变传感器的基本构造包括弹性体、导电材料、电极和导线。
弹性体是应变传感器的核心部件，它可以感应到物体的应变变化。
导电材料涂覆在弹性体的表面上，用于传递应变信号。
电极连接在导电材料的两端，用于测量电阻变化。
导线连接在电极上，用于将电阻变化转化为电信号。
应变传感器的工作原理可以用以下公式描述：ε = ΔL/L其中，ε表示应变，ΔL表示物体的长度变化，L表示物体的初始长度。
应变传感器通过测量物体的应变来得出物体的长度变化。
二、应变传感器的应用应变传感器广泛应用于各种领域，如工业自动化、机器人、航空航天、医疗设备等。
以下是应变传感器的几种常见应用。
1. 工业自动化应变传感器可以用于测量机械设备的变形情况，从而判断设备是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量机械臂的变形情况，从而控制机械臂的运动轨迹。
2. 机器人应变传感器可以用于测量机器人的变形情况，从而调整机器人的姿态和运动轨迹。
例如，应变传感器可以用于测量机器人手臂的变形情况，从而控制机器人手臂的运动轨迹和力度。
3. 航空航天应变传感器可以用于测量航空航天器的变形情况，从而判断航空航天器是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量飞机机翼的变形情况，从而调整飞机的姿态和飞行速度。
4. 医疗设备应变传感器可以用于测量人体的变形情况，从而判断人体是否正常运行。
例如，应变传感器可以用于测量人体骨骼的变形情况，从而诊断骨折和关节疾病。
三、应变传感器的优缺点应变传感器具有以下优点：1. 测量精度高应变传感器可以测量微小的应变变化，从而得出高精度的测量结果。
第3章应变式传感器
(c)当试件材料变化时，只需要调整1和2的长度。
23
3.4 测量电路
一.测量电路的作用、组成及分类 1.作用 (1)转化功能：把电阻的变化转化成电压或电流的变化。 (2)放大功能：机械应变一般很小，对应的电阻变化也很小， 就需要放大。 2. 组成 (1)转化功能对应转化电路，由电桥电路实现。 (2)放大功能对应放大电路，由集成运放实现。 本节只讨论转化电路。 3. 电桥电路的分类 根据电源的不同可分为：直流电桥和交流电桥。
说明:
E
(a)当R1和RB变化较小时，A可看成常数。
(b)当R1和RB变化较大时，A可看成常数会带来非线性误差（参 见3.4节）。
20
U 0 A( R1R4 RB R3 )
④补偿电路的工作原理 (a)试件无应变 t=t0时, 令R1=RB=R3=R4=R0 , 则 Uo=A（R1R4-RBR3）=0 t=t0+△t时, ΔRt1=ΔRtB=ΔRt，R1=RB=R0+ΔRt，则 Uo=0 (b)试件存在应变ε R1存在电阻变化：△R1′=KεR0 t=t0时, RB=R3=R4=R0，R1=R0+△R1′=R0+KεR0 则 Uo=AR02K ε∝ ε t=t0+△t时, R1=R0+ KεR0 +ΔRt，RB=R0+ΔRt, 则 Uo=AR02Kε∝ ε 结论：经过线路补偿，输出只与ε成正比，而与t无关。
17
自身因素引起的电阻相对变化：ΔRt /R0=α0Δt 外界因素引起的电阻相对变化： ΔRβ/R0= K0 (βg-βs)Δt
(3)总的温度误差 总电阻相对变化量：
Rt R R R0 R0 R0
[ 0 K 0 ( g s )]t
第3章-应变式传感器
10－5～ 1－02
10 ～ 140
F x
0～ 1－03 0～ 130
10－2～ 1－01
10 ～ 100
px
0～ 1－05 0～ 120
F, x px
10－2～ 1
1～ 100
第3章 应变式传感器
表3-2 常用弹性元件的结构和特性
类别 名称
平
波 纹 管 薄式
薄波 膜纹
管
波
膜纹
膜单
式圈
弹弹
挠簧 簧 性管
F x
x px px
px x
px F, x
px
x px
动态性质 时 间 常 数 /s 自 振 频 率 /Hz
10－5～ 1－02 10－2～ 1－01
10 ～ 140 10 ～ 100
10－2～ 1－01 —
10 ～ 100 10 0～ 1000
10－2～ 1
1～ 100
—
10 ～ 100
第3章 应变式传感器
第3章 应变式传感器
常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯 树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。
粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底 胶、 贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及 防护与屏蔽等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应 变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及 它们受温度变化影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结 工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。
d E
（3-10）
第3章 应变式传感器
dR
K R E
（3-12）
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍， 但半导
应变式传感器工作原理
应变式传感器工作原理
应变式传感器是一种能够测量物体受力或变形情况的传感器。
其工作原理基于金属电阻应变效应，即当物体受到外力作用时，其形状和尺寸会发生变化，导致其电阻发生变化。
这种变化与物体的应变呈线性关系。
具体来说，应变式传感器通常由一个金属薄膜或细丝制成的传感元件构成，例如应变片。
应变片被固定在物体上，当物体受力或变形时，应变片也会相应受力或变形。
这会导致应变片上的金属薄膜或细丝发生微小的拉伸或压缩，从而改变其电阻值。
常见的应变式传感器有应变片型、应变梁型和应变挠性型等。
在这些传感器中，应变片是最常见的类型。
当物体受到力的作用时，应变片上的金属薄膜或细丝的电阻值会改变。
通过测量电阻值的变化，可以确定物体所受力的大小或变形的程度。
为了实现准确的测量，应变式传感器还需要与电路连接和配套使用。
典型的电路包括电桥电路，其中传感器作为电桥的一个或多个元件。
当传感器上的应变导致电阻值变化后，电桥电路会产生输出电压，该电压与物体的应变成正比。
通过测量输出电压的变化，可以得到物体受力或变形的信息。
总之，应变式传感器是通过测量物体上的应变导致的电阻变化来检测物体受力或变形的。
该传感器常用于应力测量、位移测量等领域，具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点。
应变式传感器的基本知识
电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？
01
02
分析：
01
引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。
原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。
K
电流: 小
施加力F
?
R
K接通时
安培表指示
安培表变化
电阻：大—>小
让我们来做个应变效应的实验Go!!!
荷重传感器原理演示
§4.3 电阻应变式传感器
荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。
01
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。
产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。
如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。
半导体应变片的突出优点是体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。但其温度系数大，应变时非线性较严重。
第2节 应变式传感器
实际使用， 实际使用，多采用等臂电桥或对称电桥
用法一： 用法一：等臂电桥
当R1=R2=R3=R4=R时： 时
R(∆R1 − ∆R2 − ∆R3 + ∆R4 ) + ∆R1∆R4 − ∆R2∆R3 Ug = E (2R + ∆R1 + ∆R2 )(2R + ∆R3 + ∆R4 )
R>>∆Ri，则：
E ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 EK (ε1 −ε2 −ε3 + ε4 ) Ug = − − + = R R R 4 4 R
纸（不能太厚），一般为（0.02 ～ 0.04）mm。 不能太厚），一般为（ ），一般为 ） 。 基底长：基底的全长，基底宽： 基底长：基底的全长，基底宽：基底宽度
3. 粘结剂
有机
聚丙烯酸酯 酚醛树脂 有机硅树脂 聚酰亚胺 磷酸盐 硅酸 硼酸盐
无机
4.引线 引线
直径（ 镀锡铜线，要求电阻率低、 直径（0.1-0.15）mm 镀锡铜线，要求电阻率低、电阻温度系数 ） 抗氧化，易于焊接。 小，抗氧化，易于焊接。
∆R ∆L 2nl + (n − 1)πr (n − 1)πr = KS = K Sε + KSε r R L 2L 2L
令：
(n −1)πr Ky = KS 2L
则横向系数： 则横向系数：
H=
Ky Kx
(n − 1)πr = 2nl + (n − 1)πr
3.机械滞后 机械滞后
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时， 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特 性与卸载特性不重合，其差值即为机械滞后。 性与卸载特性不重合，其差值即为机械滞后。 指 示 应 卸载 变 ∆ε εr
应变传感器指标
应变传感器指标
应变传感器是一种用于测量物体应变的装置，其性能可以通过多个指标来评估。
应变传感器指标有：
1. 灵敏度：灵敏度是应变传感器最重要的指标之一，它表示传感器输出信号的变化量与输入应变的变化量之间的比值。
灵敏度越高，传感器对应变的响应越灵敏，测量精度也越高。
2. 应变范围：应变范围是指传感器能够测量的最大应变值。
不同的传感器有不同的应变范围，应根据具体应用场景选择合适的传感器。
3. 线性度：线性度表示传感器输出信号与输入应变之间的线性关系。
线性度越高，传感器输出的信号越接近真实值，误差越小。
4. 迟滞性：迟滞性是指传感器在输入应变变化时，输出信号的变化滞后于输入应变的变化。
迟滞性越小，传感器的响应速度越快，实时性越好。
5. 稳定性：稳定性表示传感器在长时间使用或不同环境下保持性能一致性的能力。
稳定性越好，传感器的使用寿命越长，可靠性越高。
6. 分辨率：分辨率表示传感器能够检测的最小应变值。
分辨率越高，传感器对微小应变的测量能力越强。
7. 温度效应：温度效应是指传感器在不同温度下输出信号的变化。
对于某些应变传感器，温度变化可能会影响其性能，因此在实际应用中需要考虑温度补偿措施。
应变传感器实验报告
一、实验目的1. 了解电阻应变片的工作原理与应用。
2. 掌握应变片测量电路的搭建与调试。
3. 通过实验验证应变传感器在实际应用中的性能。
二、实验原理应变片传感器是一种将机械变形转换为电信号的传感器。
它基于电阻应变效应，即金属导体或半导体材料在外力作用下，其电阻值会发生相应变化。
本实验采用电阻应变片作为传感器，将微小的形变转换成电阻的变化，通过电桥电路将电阻变化转换为电压或电流信号输出。
三、实验仪器与设备1. 电阻应变片2. 电桥电路3. 悬臂梁4. 万用表5. 数据采集器6. 计算机四、实验步骤1. 搭建电桥电路：按照实验原理图搭建自搭式单臂电桥电路，连接电源、桥臂、桥路等元件。
2. 粘贴应变片：将电阻应变片粘贴在悬臂梁的适当位置，确保应变片与悬臂梁的连接牢固。
3. 调节电桥平衡：通过调节电桥电路中的电阻，使电桥达到平衡状态，即桥路两端电压为零。
4. 施加外力：在悬臂梁上施加一定的外力，使悬臂梁发生形变。
5. 测量电阻变化：利用万用表测量应变片电阻的变化，并记录数据。
6. 数据分析：将测量数据输入计算机，通过数据采集器进行采集，并分析应变传感器的性能。
五、实验结果与分析1. 电阻应变效应验证：实验结果显示，当悬臂梁发生形变时，应变片电阻发生明显变化，验证了电阻应变效应。
2. 电桥电路性能分析：通过调节电桥电路中的电阻，使电桥达到平衡状态，有效避免了电路误差。
3. 应变传感器性能分析：实验结果显示，应变传感器具有良好的线性度和灵敏度，能够准确测量悬臂梁的形变。
六、实验结论1. 电阻应变片传感器能够将机械变形转换为电信号，具有广泛的应用前景。
2. 电桥电路能够有效测量应变片电阻的变化，为应变传感器提供准确的测量结果。
3. 本实验验证了应变传感器的性能，为实际应用提供了理论依据。
七、实验注意事项1. 搭建电桥电路时，注意元件连接正确，避免短路或开路。
2. 粘贴应变片时，确保应变片与悬臂梁的连接牢固，避免脱落或松动。
应变式传感器的计算
应变式传感器的计算应变式传感器是一类常见的物理量测量传感器，它可以将物体受力或受力变形转化为电信号进行测量。
它广泛应用于诸如机械力测量、压力测量、重量测量等领域。
在本文中，我们将介绍应变式传感器的原理、计算方法以及一些常见应用。
应变式传感器的原理基于应变效应，即物体在受到外力时会发生形变。
当物体受到外力作用时，各点内部会产生应变，应变的大小与物体受力的大小成正比。
应变式传感器的关键部件是金属应变片，其具有很高的应变敏感性。
当外力作用在金属应变片上时，金属应变片会发生应变，并通过电桥电路转化为电信号，从而实现力的测量。
首先是应变计算。
应变可以通过应变计算公式进行计算，公式如下：ε=ΔL/L0其中，ε表示应变，ΔL表示物体在受力或受力变形后的长度变化量，L0表示物体在未受力或未受力变形时的初始长度。
应变计算的结果通常以百分比（%）的形式表示。
应变值越高，说明物体受到的力越大。
其次是力量测量。
力量可以通过应变计算得到的应变和传感器的灵敏度进行计算，公式如下：F=ε*S其中，F表示受力，ε表示应变，S表示传感器的灵敏度。
传感器的灵敏度是指传感器输出信号与输入物理量之间的线性关系。
灵敏度一般以电压输出的变化量与物理量变化量之间的比值表示，单位为mV/V。
具体的灵敏度取决于传感器的设计和制造工艺，在使用传感器时需要根据具体的传感器型号和规格来确定。
除了基本的应变计算和力量测量，应变式传感器还可用于测量压力、重量等物理量。
在压力测量中，应变式传感器可以将受到的压力转换为应变，然后通过计算公式得到压力的值。
在重量测量中，应变式传感器可以测量物体所受到的重力，从而得到物体的重量。
总结起来，应变式传感器的计算方法包括应变计算和力量测量。
通过计算应变和力量，可以实现对物理量的准确测量和控制。
应变式传感器广泛应用于诸如机械力测量、压力测量、重量测量等领域，在工程实践中具有重要的意义。
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光纤应变传感器20401033 李永成目前已经能够利用光纤传感器对材料的应力、应变、温度、固化度、振动、损伤与断裂等开展进行实时的监测。
在美国等发达国家,研制出了诸如灵巧蒙皮(SmartSkin)之类的智能结构和材料它在航空航天领域的应用极大的提高了空间飞行器的性能。
因此,光纤传感器研究有着诱人的前景。
在材料的诸多参数中,利用嵌入式光纤传感器对其应变监测的研究进行的最为充分,发展出多种方法,大体可分干涉型、模式型、偏振型和光强型四种。
1干涉型传感器(InterferometricSensors)外界应变的作用可使在光纤中传输的光的相位发生变化,干涉型光纤传感器就是通过监测输出信号的相位变化来监测复合材料应变的。
它又包括Mach-Zender干涉法、法布里—珀罗干涉法和布拉格光栅法。
1.1Mach-Zender干涉法下图为Mach-Zender干涉传感器的基本结构。
从光源发出的光经耦合器A等量的进入长度相等的参考光纤和测量光纤,然后再经耦合器B输向探测器,由探测器输出信号。
工作时,将测量光纤嵌入复合材料,当复合材料发生应变时,测量光纤随之发生变形,从而使通过测量光纤的光程发生变化,在耦合器B处,参考光纤与测量光纤之间由于存在相位差而发生干涉,由探测器将干涉信号输出,通过监测输出的干涉信号就可监测复合材料的内部应变。
1.2法布里—珀罗干涉法(FPI)1.2.1 法布里－珀罗干仪原理光纤法布里珀罗干涉腔是在一段光纤的两个端面上由所镀的反射面形成。
光射入光纤法布里珀罗干涉腔后光的反射与折射的情况如下图所示两个反射面的反射率分别为r1和r2,设r1=r2腔长为d,并假设R1=R2=R=r2,则入射光经过多次反射和折射后透射光强和反射光强为位相φ的表达式为:φ=4πnd/λ(3)式中,n为折射率;d为腔长;λ为光的波长。
采用双光束近似为:IR=2RI0(1-cosφ)(4)归一化并令2RI0=1后为:IR=1-cosφ(5)1.2.2内型腔—法里布珀罗干涉法(IFPI)下图为内腔型法布里—珀罗干涉传感器(IFPI Sensor)的基本结构。
在光纤中产生两个部分反射的中间面,从而由该部分形成一个法布里—珀罗腔,从光源发出的光在光纤中传播过程中,遇到第一个反射面发生部分反射,形成与法布里—珀罗腔无关的参考光束,部分透射光继续向前传播,遇到第二个反射面发生反射,形成与腔长有关的测量光束,参考光束与测量光束在输出端发生干涉,干涉信号随波长和腔长的变化而变化,当入射光波长一定时,干涉信号就是腔长的函数,通过测量干涉信号的变化就可以得到腔长的变化情况。
把IFPI传感器埋入复合材料中,使IFPI传感器与复合材料基体牢固地结合在一起,当复合材料受力发生变形时,IFPI传感器的腔长与复合材料一起发生变形,则IFPI传感器腔长的变形情况就反映了复合材料的变形情况。
从而可以获得复合材料的应变。
IFPI的特点是光的传播与反射均发生在光纤中,所以称之为内腔型,这使得IFPI腔长可以有较大的变化范围,然而它却存在输出信号的非线性和热灵敏度较高等问题。
1.2.3外腔型法布里—珀罗干涉法(EFPI)由于IFPI存在较高的热灵敏度,使得温度对输出信号的影响较大,因此研究了外腔型法布里—珀罗干涉传感器(EFPISensor)。
把一个单模光纤与一个单模或多模光纤通过一个空心二氧化硅纤维对接起来就形成一个外腔型法布里—珀罗干涉传感器,再加光源、探测器等支持部分就构成一个传感器系统,如图下所示。
从光源发出的光经耦合器输向EFPI腔。
在EFPI腔中,从入射光纤端面反射过来的光R1(参考光束)和从反射光纤端面反射过来的光R2(测量光束)在输出端发生干涉,干涉信号通过耦合器可由探测器检测,将EFPI传感器嵌入复合材料,复合材料中产生应变时引起干涉信号的变化(条纹的漂移),则通过计数干涉条纹的变化就可以测得复合材料的应变。
EFPI的特点是法布里—珀罗腔为热膨胀系数小的空气,从而使EFPI的热灵敏度低,输出信号受温度影响小。
但EFPI未能解决输出信号的非线性问题,同时它只能监测传感器轴向应变,而对横向应变不响应。
因此作了进一步研究。
1.2.3绝对外腔型法布里—珀罗干涉法(AEFPI)绝对外腔型法布里—珀罗干涉法(AEFPI)解决了输出信号的非线性问题。
AEFPI的传感器部分与EFPI相同,它利用宽波段的超发光二极管(SLD)作为光源来向EFPI腔输入光,每种不同波长的反射光对应不同的相位,各波长反射之间存在相位差,这种相位差是腔长d的单一函数,由于可以实时的得到腔长d,那么就可以监测应变的变化及其方向AEFPI采用宽波段的光源,因此在光源部分无需昂贵的温度稳定装置和光学去耦装置,在输出部分也不需要计数装置,可见,AEFPI是一种较好的应变监测方法。
1.2.490°相差相漂移外腔型法布里—珀罗干涉法(QSP—EFPI)。
QSP—EFPI的基本结构如图4(a)所示,反射光纤为一多模光纤,入射光纤为两根单模光纤,两入射光纤与反射光纤所形成的腔长在纵向有一差值, 该差值使两干涉输出信号之间的相位差为90°。
可见,两干涉输出信号之间的相位差决定于两腔长的差,空心纤维沿传感器轴向的角运动可以改变两个腔长(使腔长差发生变化)见下图这反过来使输出干涉信号的相位差发生变化,如果这种相位差能够被测定,那么就可以用来表征横向应变场。
轴向应变可以利用任一腔长的变化来测得,这时可以忽略由于横向应变使反射光纤产生角位移而引起的输出信号的变化。
这样就得到介质的一个平面应变场特征。
QSP—EFPI尚处于研究阶段,目前仅作到利用外加纵向、横向应变的方式对其可行性进行了研究,还没有埋入到复合材料中去。
该法还需要进一步研究的是QSP—EFPI相差与横向应变之间的关系。
1.3布拉格光栅法(FBG)纤芯折射率周期性变化的区域可形成布拉格反射,其反射光谱是一个具有一中心波长的窄峰。
该中心波长取决于纤芯的平均折射率和周期性变化的波长,通过监测嵌入在复合材料中布拉格光栅波长的漂移(ΔλB)就可以监测复合材料应变的变化(Δε)。
光纤布喇格光栅(FBG)作为一种新型的光无源器件,因其抗电磁干扰、体积小、易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络等特点,受到研究人员越来越多的关注[1].由于光纤光栅最为直接感受的物理量是应变和温度变化,因此,人们更关注如何将压力、位移等外界参量通过传递而耦合到FBG上,并转换为使FBG沿轴向产生拉伸(或压缩)应变,同时,解决FBG感受外界待测参量的灵敏度问题实现对外界参量的高灵敏度传感检测报道了用聚合物作为机敏材料实现FBG压力传感的罐封装技术,研究了将压力有效地传递为对FBG的应变效应.下面采用C形弹性管作为FBG压力传感和位移传感的机敏元件,将FBG粘贴于C形弹性管与自由端等高的位置处,实现了在常温下同时测量压力和位移.A FBG应变传感机理由耦合模理论可知,FBG的中心反射波长应满足（1）式中neff为纤芯的有效折射率,Λ为FBG的栅距.当温度不变,FBG只受轴向应力作用时,FBG中心反射波长的漂移量为ΔλB=λB(1-Pe)ε（2）(2)式中Pe=(n2eff/2)[p12-μ(p11+p12)]为光纤的有效弹光系数;μ为光纤材料的泊松比;p11和p12为光纤的弹光效应张量系数;实验中选用的硅基质掺锗光纤各参数分别为neff=1.46,μ=0.16,p11=0.12p12=0.27,由此可以计算出Pe=0.22,式(2)可写为ΔλB=0.78λBε. (3)式(3)即为FBG对应变ε敏感引起反射中心波长漂移的关系. 对于裸FBG而言,要使光栅产生轴向应变,就要直接施以拉伸力.实验表明,裸露的FBG加到7N拉力时光纤光栅就会断裂(FBG的断裂极限为7860με).因此,FBG的应力灵敏度受到很大限制[6].为了提高对应变的传感灵敏度,就必须借助一种机敏元件的结构作为应力传感的桥梁,外界应力变化通过这种结构,加载在FBG上.图1C形弹性管实验B基于C形弹性管FBG压力传感原理图1所示的C形弹性管为薄壁空心且截面形状为椭圆型的结构,在管内过剩压力作用下,其截面力图趋于圆形.在此情况下,截面的短轴将伸长,而长轴缩短,周界的变化如图1中的虚线所示.由李滋法推出C形弹性管内总势能经过简单变形,得到在管内流体压力P作用下C形管纵向应变和横向应变的表达式为式中K=Rh/a2;P为管内流体压力;E和μ分别为材料的弹性模量和泊松比;R为C 形弹性管的半径a和b分别为C形弹性管横截面的长半轴和短半轴;h为管壁厚度;β为与a/b有关的系数;Ω和Φ是与a/b和h/b有关的位置函数.当C形弹性管截面形状、材料确定后,在一定压力范围内,E,μ,R,a,b,h和K均为常量,因而弹性管表面各点的纵向应变和横向应变均与压力P成线性关系,并且弹性管上与中心轴线平行的纵向各点的应变相等,而横向截面上各点应变则与位置有关,但相对于中心轴线对称.由式(5)可看出,横应向最大变点位于管子截长轴两端处.若将FBG沿截面长轴方向粘贴在C形管与自由端等高的位置处(见图1),则管内过剩压力使FBG沿长轴方向拉伸产生应变,将式(5)代入式(3)得:式(6)为基于C形弹性管作为机敏元件的FBG压力传感系统将压力转换为FBG反射中心波长漂移量的传感原理.2模式型传感器(ModalmetricSensors)模式型传感器是利用纤芯内模态能量分布的变化(如激发模干涉)来进行测量的。
椭圆芯光纤传感器和双芯光纤传感器均属此类。
2.1椭圆芯光纤传感器(EllipticalCoreFiber StrainSensors)椭圆芯光纤可以在很大的光谱范围内传播基模LP01和仅有一个正弦方向的二级模LP11。
而且,椭圆芯可以在每个空间模内产生双折射,因此,一个椭圆芯光纤可以传播四个线性非退化偏振本征模,两个空间模各包含两个偏振模,由于本征模是非退化的,所以可以实现稳定的模间干涉,其干涉形式在光纤轴端的偏移决定于LP01和LP11模间的干涉都很敏感。
检测器接收到的偏离于双模光纤轴向的光强随纵向应变和温度而发生变化。
用两束本征偏振光并将它们在输出端加以分离,就可以在同一光纤中同时获得两个独立的LP01—LP11模间干涉。
通过监测椭圆芯双模光纤中LP01和LP11的模间干涉能够同时监测温度和纵向应变的变化。
2.2双芯光纤应变传感器(DaulCoreFiber StrainSensors)一个双芯光纤是由一对单模纤芯在同一包层里紧密排列所形成的一个波导管。
因此,当光输入一个光芯时,在半个拍长内,两光芯之间发生完全的能量变换(能量由输入光芯传递到非输入光芯)。