1、姓名級號實驗一應變片單臂電橋性能實驗、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。二、基本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將彈性元件的變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等,在機械加工、計量、建筑測量等行業應用十分廣泛。1應變片的電阻應變效應所謂電阻應變效應是指具有規則外形的

2、金屬導體或半導體材料在外力作用下產生應變而其電阻值也會產生相應地改變，這一物理現象稱為 “電阻應變效應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為p時，根據電阻的定義式得d1)當導體因某種原因產生應變時，其長度L、截面積A和電阻率p的變化為dL、dA、dp相應的電阻變化為dR。對式（1 1）全微分得電阻變化率 dR/R為：(1 2)式中：dL/L為導體的軸向應變量 可 dr/r為導體的橫向應變量 &由材料力學得:(1 3)式中：為材料的泊松比，大多數金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負號表示兩者的變化方向相反。將式（1 3）代入式（1 2）得:(1 4)式（1 4）說

3、明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。2、應變靈敏度它是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量。（1）、金屬導體的應變靈敏度 K:主要取決于其幾何效應；可取dR«(1 5)R其靈敏度系數為:K=dR=(1 + 2“)金屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。（2）、半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；dR/R衣d p ?半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應。在半導體受力變形時會暫時改變晶體

4、結構的對稱性，因而改變了半導體的導電機理， 使得它的電阻率發生變化，這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應。不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減小）的壓阻效應。也就是說，同 樣是拉伸變形，不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。半導體材料的電阻應變效應主要體現為壓阻效應，其靈敏度系數較大，一般在100到200左右。3、貼片式應變片應用在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩定性、線性度不好而且易損壞） 很少應用。一般半導體應變采用 N型單晶硅為傳感器的彈性元 件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄

5、膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應）傳感器。*本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。4、箔式應變片的基本結構0.025m m 左右(a)絲式應變片創出戰全聊卅(b)箔式應變片金屬箔式應變片是在用苯酚、環氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為 的金屬絲或金屬箔制成，如圖 1 1所示。圖11應變片結構圖金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應， 描述電阻應變效應的關系式為： R7 R= Ks 式中： R/R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數，s =AL/L為電阻絲長度相對變化

6、。5、測量電路為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉換成電壓或電流信號，在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現溫 度補償等優點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩定性 較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍， 性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作。基本電路如圖1 2 (a)、( b)、( c)所示。EEE(a)單臂(b)半橋(c)全橋圖12應變片測量電路(a)、單

7、臂Uo= 一=(R1+A R1) / (R1 + R1+ R5) R7/ (R7 + R6)E=( R7+ R3) (R1 + R1) R7 ( R5+ R1 + R1)/( R5+ R1+ R1) (R7 + R6)E設 R1 = R5= R6= R7，且 R1 / R1= A R / R vv 1, R/ R= K £ , K 為靈敏度系數。貝U Uo (1 /4)( R1/R1)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 / 4) K £ E(b)、雙臂(半橋)同理:Uo (1 / 2)( R/ R)E= (1 / 2)K £ E(C)、全橋同理:Uo (

8、 R/R)E= K £ E6、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖Rb/鐘 E+輿一1圖1 3應變片單臂電橋性能實驗原理圖圖中R5、R6、R7為350 Q固定電阻，R1為應變片；RW1和R8組成電橋調平衡網絡，E為供橋電源土 4V。橋路輸出電壓 Uo (1 /4)( F4/ R4)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 /4)K £ E。差 動放大器輸出為Vo。4專位數顯萬用表(自備)三、需用器件與單元：主機箱中的土 2V土 10V(步進可調)直流穩壓電源、土15V直流 穩壓電源、電壓表；應變式傳感器實驗模板、托盤、砝碼;四、實驗步驟:應變傳感器實驗模板說明：應變傳感器實驗模

9、板由應變式雙孔懸臂梁載荷傳感器(稱重傳感器)、加熱器+5V電源輸入口、多芯插頭、應變片測量電路、差動放大器組成。實驗模板中的R1（傳感器的左下）、R2（傳感器的右下）、R3（傳感器的右上）、R4（傳感器的左上）為稱重傳感器上的應變片輸出口；沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學者組成電橋接線方便而設；R5、R6、R7是350Q固定電阻,是為應變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設的其它橋臂電阻。加熱器+5V是傳感器上的加熱器的電源輸入口， 做應變片溫度影響實驗時用。多芯插頭是振動源的振動梁上的應變 片輸入口，做應變片測量振動實驗時用。1、將托盤安裝到傳

10、感器上，如圖 1 4所示。托樂圖1 4傳感器托盤安裝示意圖2、測量應變片的阻值（不要求）：當傳感器的托盤上無重物時，分別測量應變片R1、R2、R3 R4的阻值。在傳感器的托盤上放置10只砝碼后再分別測量R1、R2、R3 R4的阻值變化，分析應變片的受力情況（受拉的應變片：阻值變大，受壓的應變片：阻值變小。4（1/2）奴顯萬用表2k檔測阻值R隔斐傳感器實驗模極圖1 5測量應變片的阻值示意圖3、實驗模板中的差動放大器調零：按圖1 6示意接線，將主機箱上的電壓表量程切換開關切換到2V檔，檢查接線無誤后合上主機箱電源開關；調節放大器的增益電位器RW3合適位置（先順時針輕輕轉到底， 再逆時針回轉1圈）后，再調節實驗模板放大器的調零電位器 RW4使電壓表顯示為零。Bj. fis R-3 Rqo 0 o o o應變傳感器實驗模板rIL宜流穩壓電源故庫iTO嚴/0 Oas f +isf-1ST斗盟嶺2!壓表20W$程灑開關iVi圖16差動放大器調零接線示意圖4、應變片單臂電橋實驗：關閉主機箱電源，按圖1 7示意圖接線，將土 2V土 10V可調電源調節到土 4V檔。檢查接線無誤后合上主機箱電源開關，調節實驗模板上的橋路平衡 電位器RW1,使主機箱電壓表顯示為零；在傳感器的托盤上依次增加放置一只20g砝碼（盡量靠近托盤的中心點放置），讀取