金属箔式应变片

实验二 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、 实验目的

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、 实验原理

应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1 型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图2-2 应变式传感器安装示意图

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。

金属的电阻表达式为：

l R S

ρ= （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长l ∆，横截面积相应减小S ∆，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变ρ∆，故引起电阻值变化R ∆。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

R l S R l S ρρ

∆∆∆∆=-+ （2） 式中的l l ∆为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位με（1με=1×610mm mm -）。若径向应变为r r ∆，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比μ表示为l r r l

μ∆∆=-（），因为S S ∆=2（r r ∆），则（2）式可以写成： 01212R l l l k R l l l l l

ρρρμμρ∆∆∆∆∆∆=++=++=∆（）（） （3） 式（3）为“应变效应”的表达式。0k 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k 受两个

因素影响，一个是（1+μ2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是ρρε∆（），是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则μ210+≈k ，对半导体，0k 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数0k =2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系

εσE = （4）

式中 ζ——测试的应力；

E ——材料弹性模量。

可以测得应力值ζ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压 U= EK ε/4，式中E 为电桥供电电压，K 为应变灵敏系数。 应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。

图2-1应变式传感器信号调理实验电路图

三、实验设备

THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表（自备）、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。

四、实验内容与步骤

1．将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）2．检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）

3．按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图2-3所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，使数显表显示约为零（万用表2V档测量）。

4．在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表2-1，关闭电源。

表2-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量(g)

电压(v)

图2-3 应变式传感器单臂电桥实验接线图

5．根据表1-1计算系统灵敏度W

∆

=/（U

S∆

U

∆重量变化

∆输出电压的变化量，W 量）

∆（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线和非线性误差δf1=Δm/y FS ×100％式中m

的最大偏差：y FS 满量程输出平均值，此处为200g。

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

六、实验报告要求

1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2．从理论上分析产生非线性误差的原因。