电阻应变式传感器实验报告

--2-大连理工大学成绩教师签字院〔系〕 材料学院 专业 材料物理 班级 0705成绩教师签字姓 名 童凌炜 学号 202367025 试验台号试验时间2023 年03 月06日，第二周，星期五第 5-6 节试验名称 电阻应变式传感器教师评语试验目的与要求：学习电阻应变式传感器的根本原理、构造、特性和使用方法测量比较几种应变式转换电路的输出特性和灵敏度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：CSY10A型传感器系统试验仪试验原理和内容：应变效应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供给相关力的大小。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RLRSRLS

，依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R L SR行改写，得到

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L L

kL，其中系数k称为电阻应变片的灵敏系数，R L L L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，固可以格外灵敏地反映微小的变化〕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，本试验使用直流电桥。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；依据电桥的平衡原理，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 Vv 依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：单臂电桥R4R3n，依据电桥的工作R1R2原理，并无视一些微小的无影响的量，可以得到输出电压的表达式为V nU R1，同(1n)2 R1时得到单臂电桥灵敏度表达式kv

V nU(1n)2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。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V 1RU，半桥灵敏度表达式k 1U，可见输出电压与电阻的变化严格呈2R v 2线性关系，不存在线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。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，依据电桥性质可以得到电压及灵敏度的表达式V广泛被使用。

RU，S VR

U4倍，故补偿片的方法消退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一样受力方向的补偿片，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步骤与操作方法：箔式单臂电桥的性能差动放大器调零，翻开所用单元的100倍，并进展相关的其他调零处置。之后关闭电源依据右侧的电路图连接试验所需的元件，组成箔式单臂电桥电路。调整悬臂梁头部铁心吸合的测微头，使应变梁处以根本水平状态。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。5mm0.5mm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箔式单臂、半桥、全桥电路的性能比较1在同一坐标上画出三种桥路的x-V曲线，并进展灵敏度的比较。箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿1的步骤，将差动器的部件调零1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，Vt2V档，显示环境确实定温度。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。ΔV/ΔT。将R4换成与应变片处于同一个应变梁上的补偿片，重复以上试验数据，计算的温度漂移并与之前的进展比较。半导体单臂和半桥电路性能的比较调零仪器，并依据电路图连接电路，R’是半导体应变片，R直流鼓励电源为±2V分钟。调整应变梁处于根本水平状态，调整电Wd电位器，使测试系统输出为零。5mm为限，0.5mm为间隔记录数据x，V，并作x-V算灵敏度重调整应变梁处于根本水平状态，并重调整输出为零。用P-N结温度传感器测出系统的温漂。依据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，重复以上试验步骤，比较两种半导体桥路的灵敏度和温度漂移。相关留意事项在进展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。数据记录与处理：单臂电桥数据起始位置X0=10.950mmΔX1(mm)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0U(V)0.000-0.007-0.011-0.014-0.022-0.029-0.032-0.038-0.043-0.049-0.053ΔX2(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0U(V)-0.016-0.010-0.009-0.004-0.0000.0030.0090.0130.0180.0230.028半桥数据起始位置X0=10.950mmΔX1(mm)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0U(V)0.000-0.008-0.016-0.030-0.042-0.050-0.062-0.072-0.082-0.095-0.102ΔX2(mm)00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.0600.0740.0910.1020.1160.125电压-位移关系0.15U〔V〕0.10.050-6 -4 -2 0 2 4 X〔mm〕6

单臂电桥电压(V)半桥电压(V)-0.05-0.1-0.15结果与分析：将单臂电桥和半桥的数据绘制成坐标散点图，并且拟合出直线，如上图所示：依据图中所添加的拟合直线，在直线上取样计算斜率，可以得到以下四个斜率，表现为各自的灵敏度：(xx)y，MLS，测量电路的灵敏度kv=ΔV/Δx=，负向形变，单臂电桥

i i(xx)2iΔX1(mm)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5U(V)0-0.007-0.011-0.014-0.022-0.029-0.032-0.038-0.043-0.049-0.053Xavg=-2.5Xi-Xavg=2.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5Δxi*yi=0-0.014-0.0165-0.014-0.01100.0160.0380.06450.0980.1325SUMΔxy0.2935(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.0106正向形变，单臂电桥ΔX2(mm)00.511.522.533.544.55U(V)-0.016-0.01-0.009-0.00400.0030.0090.0130.0180.0230.028Xavg=2.5Xi-Xavg=-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5Δxi*yi=0.040.020.01350.004000.00450.0130.0270.0460.07SUMΔxy0.238(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.00865负向形变，半桥ΔX1(mm)0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5U(V)0-0.008-0.016-0.03-0.042-0.05-0.062-0.072-0.082-0.095-0.102Xavg=-2.5Xi-Xavg=2.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5Δxi*yi=0-0.016-0.024-0.03-0.02100.0310.0720.1230.190.255SUMΔxy0.58(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.0210正向形变，半桥ΔX2(mm)00.511.522.533.544.55U(V)0.0030.0160.0260.0360.0490.060.0740.0910.1020.1160.125Xavg=2.5Xi-Xavg=-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5Δxi*yi=-0.0075-0.032-0.039-0.036-0.0200.0370.0910.150.2320.31SUMΔxy0.6865(Xi-Xavg)^26.2542.2510.2500.2512.2546.25SUMΔx^227.5k=0.0249综合以上四个计算结果来看：单臂电桥正向灵敏度0.00865半桥正向灵敏度单臂电桥正向灵敏度0.00865半桥正向灵敏度0.0249单臂电桥负向灵敏度0.0106半桥负向灵敏度0.0210单臂电桥平均灵敏度0.00912半桥平均灵敏度0.0229从试验数据中得到的结果可见，半桥电路的灵敏度比单臂电桥的灵敏度的两倍还要高一些kv2=0.0229>2*kv1=0.01824，这与理论计算上的kv2=2*kv10.5U0.25U，缘由是应变电阻的变化量相比于固定电阻的阻值不行以被无视。争论、建议与质疑：电阻应变片的工作原理是利用了金属的应变效应，即金属材料在外力作用下发生气械变形时，其阻值也要发生相应的变化。电阻应变片的灵敏系数是电阻应变值关于形变量的表达式中的一个系数，其物理意义是单位应变量引起的电阻值相对变化的大小，灵敏系数与金属材料的几何尺寸变电阻产生变化的缘由是由于应变引起能带的变形，从而使能带中的载流子发生变化，导致电阻率单臂电桥，半桥，全桥电路的共同点是应用了不平衡电桥的特点，将阻值的变化转换为电桥中的电压输出，再通过相关的转换测量电路，将电压信号转换为便于使用的物理值。三种桥式电路的不同点是所含有的应变片的数量，分别为一片，两片和四片。由于增加了应变片，使得某一个桥臂上的电阻变化量能够消去其中微小不确定量，从而使得桥式测量电路的灵敏度得到很大的提升。导致应变片阻值变化的因素有外力导致的应变片形变，和外界温度的影响。对测量桥路进展温度补偿的方法是，将电桥上与电阻应变片同侧的固定电阻换成一样阻值，同种材料性质，但是受力应变方向相互垂直的应变片；在这种状况下，温度变化对两个应变片的影响效果一样，从而保证了电桥两边的平衡状态〔或理论的非平衡状态，消退了温度带来的影响。R在对应变效应的表达式推导中，得到这样的结论

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