电阻应变式传感器-实验报告.doc

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

成绩院（系）材料学院专业材料

教师签字物理班级0705

姓名童凌炜学号200767025实验台号

实验时间 2009 年 03 月 06 日，第二周，星期五第 5-6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 R S L，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 ，根据金属丝在力学和材料学上的相关R L

R L S

性质，在弹性范围内可以对公式进行改写，得到

L，其中系数k称为电阻应变片R (1 2 ) L L k

R L L L

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 k

V

v

R / R

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R4R3n ，根据电桥的工作原理，并

R1 R2

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(1 nU R1 ，同时得到单臂电桥灵敏度表V

达式V nU

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,R1= R2= R，可以得到电压表达式 V 1 R U ，半桥灵敏度表达式 k v 1U ，可

2 R 2

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 V R U ，S V U ，可见差动电桥的灵敏度R R / R

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= V/ x

2.箔式单臂、半桥、全桥电路的性能比较

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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

V/ T。

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。