大学物理-电阻应变式传感器 实验报告

大连理工大学

大 学 物 理 实 验 报 告

院（系） 材料学院 专业 班级 姓 名 学号 实验台号 实验时间 年 月 日，第 周，星期 第 节

实验名称 电阻应变式传感器

教师评语

实验目的与要求：

1. 学习电阻应变式传感器的基本原理、 结构、 特性和使用方法

2. 测量比较几种应变式转换电路的输出特性和灵敏度

3. 了解温度变化对应变测试系统的影响和温度补偿方法

主要仪器设备：

CSY 10A 型传感器系统实验仪

实验原理和内容： 1. 应变效应

导体或半导体在外力的作用下发生机械变形时， 其阻值也会发生相应的变化， 成为应变效应。 电阻应变片的工作原理即是基于这种效应， 将本身受力形变时发生的阻值变化通过测量电路转换为可使用的电压变化等以提供相关力的大小。 金属丝的电阻应变量可由以下算式表达： 金属丝的原始电阻值为S

L

R ρ=

， 收到轴向拉力时， 发生电阻值变化R ∆， 变化比例的表达式为：

S

S

L L R R ∆-∆+∆=∆ρρ， 根据金属丝在力学和材料学上的相关性质， 在弹性范围内可以对公式进行改写， 得到

L L

k

L L L L R R ∆=∆⎥⎦

⎤⎢⎣⎡∆∆++=∆ρρμ)21(， 其中系数k 称为电阻应变片的灵敏系数， 表示单位应变量引起的电阻值变化， 它与金属丝的几何尺寸变化和本身的材料特性有关； 一般半

导体的灵敏系数要远大于金属的灵敏系数。 （由于受力会影响到半导体内部的载流子运动， 固可以非常灵敏地反映细微的变化）

2. 电阻式应变传感器的测量电路

转换电路的作用是将电阻变化转换成电压或电流输出， 电阻应变式传感器中常用的是桥式电路， 本实验使用直流电桥。

驳接阻抗极高的仪器时， 认为电桥的输出端断路， 只输出电压信号； 根据电桥的平衡原理， 只有当电桥上的应变电阻发生阻值变化时， 电压信号即发生变化； 电桥的灵敏度定义为

R

R V

k v /∆=

根据电阻变化输入电桥的方法不同， 可以分为单臂、 半桥和全桥输入三种方式：

2.1 单臂电桥

只接入一个应变电阻片， 其余为固定电阻。 设电桥的桥臂比为

n R R R R ==2

314， 根据电桥的工作原理， 并忽略一些极小的无影响的量， 可以得到输出电压的表达式为11

)1(2R R n nU V ∆⎥⎦

⎤⎢

⎣⎡+≈， 同时得到单臂电桥灵敏度表达式2

)

1(/n nU

R R V k v +=∆=

单臂电桥的实际输出电压与电阻变化的关系是非线性的， 存在非线性误差， 故不常使用。 2.2 半桥

如图， 接入两个应变电阻和固定电阻， 设初始状态为R1=R2=R3=R4=R, ΔR1=ΔR2=ΔR ， 可以得到电压表达式U R R V ∆=

21， 半桥灵敏度表达式U k v 2

1

=， 可见输出电压与电阻的变化严格呈线性关系， 不存在线性误差， 灵敏度比单臂电桥提高了一倍。 2.3 全桥

全部电阻都使用应变电阻， 且相邻的两个臂的受力方向相反， 根据电桥性质可以得到电压及灵敏

度的表达式U R R V ∆=， U R

R V S =∆=/， 可见差动电桥的灵敏度比单臂电桥提高了4倍， 故广泛被使用。

补偿片的方法消除温度带来的漂移误差： 在单臂电桥中， 将与工作电阻同侧的固定电阻更换成相同受力方向的补偿片， 且原始电阻值相等； 这样在实际使用中， 由于温度造成的电阻值变化被抵消， 且补偿片不受力， 故可以消除电压的漂移输出。

步骤与操作方法： 1. 箔式单臂电桥的性能

1.1 差动放大器调零， 打开所用单元的电源开关， 差放器增益置于100倍， 并进行相关的其他调零处置。之后关闭电源

1.2 按照右侧的电路图连接实验所需的元件， 组成箔式单臂电桥电路。

1.3 调节悬臂梁头部铁心吸合的测微头， 使应变梁处以基本水平状态。

1.4 确定连线无误以后， 启动仪器电源并预热数分钟； 调整电桥Wd 电位器， 使测试系统的输出为零。

1.5 旋动测微头， 带动悬臂梁分别向上和向下运动各5mm ， 其中测微头每移动0.5mm 记录一次差动放大器输出的电压值； 然后画出x-V 曲线， 并计算桥路的灵敏度kv=ΔV/Δx

2. 箔式单臂、 半桥、 全桥电路的性能比较

基本操作过程与实验1相同， 其中连接电路部分分别使用上下梁的两个应变片， 以构成半桥； 或者全部使用应变片以构成全桥。 并进行实验， 记录数据。 在同一坐标上画出三种桥路的x-V 曲线， 并进行灵敏度的比较。

3. 箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿

3.1 参照实验1的步骤， 将差动器的部件调零

3.2 参照实验1的电路连接所用的元件， 并将差分放大器的输出端接毫伏表， 将P-N 结温度传感器接入传感端， Vt 接数字电压表。 数字电压表置于2V 档， 显示环境的绝对温度。

3.3 开启仪器的电源并预热数分钟。 调整电桥的Wd 电位器， 使测试系统的输出为零， 并记录此

时的温度T。

3.4 开启加热器电源，观察输出电压随温度上升所发生的变化，并记录多组数据，计算温度漂移

ΔV/ΔT。

3.5 将R4换成与应变片处于同一个应变梁上的补偿片，重复以上实验数据，计算新的温度漂移

并与之前的进行比较。

4.半导体单臂和半桥电路性能的比较

4.1 调零仪器，并按照电路图连接电路，R’

是半导体应变片，R’’是电桥上的固定电阻，

直流激励电源为±2V；开启电源后预热数

分钟。

4.2 调节应变梁处于基本水平状态，调整电

桥Wd电位器，使测试系统输出为零。

4.3 旋动测微头，以向上向下各5mm为限，0.5mm为间隔记录数据x，V，并作x-V曲线，计

算灵敏度

4.4 重新调整应变梁处于基本水平状态，并重新调整输出为零。用P-N结温度传感器测出系统的

温漂。

4.5 按照电路图连接半导体半桥双臂电

路，半导体应变片处于同一桥侧，重复

以上实验步骤，比较两种半导体桥路的灵

敏度和温度漂移。

5.相关注意事项

5.1 在进行先向上再向下的位移操作中，易产生零点漂移；计算式可以将正负两个方向的Δx分

开计算灵敏度以后再取平均得到。