傳感器基本原理實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)

1、傳感器基本原理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片一全橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈶?yīng)變片全橋工作特點(diǎn)及性能。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握電阻應(yīng)變片的全橋應(yīng)用原理。三、實(shí)驗(yàn)儀器傳感器檢測(cè)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)?zāi)K、砝碼、導(dǎo)線。四、實(shí)驗(yàn)原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng) 描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： R /R =K式中： R /F為電阻絲電阻相對(duì)變化,K為 應(yīng)變靈敏系數(shù)，& = L/為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐 蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測(cè)部位受力狀態(tài)變化。電橋的作用完 成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。

2、對(duì)單臂電橋輸 出電壓U o仁EK & /4電阻應(yīng)變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應(yīng)變片來組成。一種 利用電阻材料的應(yīng)變效應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器，此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測(cè)量的電阻轉(zhuǎn)換成電壓或是電流變化信號(hào)輸 出?？捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測(cè) ，如力、壓力、加速度、力矩、 重量等，機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測(cè)量等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛。1、應(yīng)變片的電阻應(yīng)變效應(yīng)所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指具有規(guī)則形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的改變，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)”。經(jīng)圓柱 形導(dǎo)體為例：設(shè)其長(zhǎng)為：L、半徑為r、材料

3、的電阻率為p時(shí),根據(jù)電阻的定義式得2L LR A rppn =-11當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長(zhǎng)度L ,截面積A和電阻率p的變化為 dl、dA、d p相應(yīng)的電阻變化為dR，對(duì)式（1-1全微公得電阻變化率dR/R為：2dR dL dr d R L r pp=-+ （1-2式中:dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量& ;dr/為導(dǎo)體的徑向應(yīng)變量r £pr （1 =式中:u為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右;負(fù)號(hào)表示兩 者的變化方向相反。將式（1-3代入式（1-2得:（12dR d R p£p=+ （1-4式（1-4說明電阻應(yīng)變效應(yīng)主要取決于它的幾何應(yīng)變（

4、幾何效應(yīng)和本身特有的導(dǎo)電性能（壓阻效應(yīng)。2、應(yīng)變靈敏度它是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對(duì)變化量。(1金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度K :主要取決于其幾何效應(yīng)；可取(12dRR卩£"眄(其靈敏度系數(shù)為：(12dRK R口£ =+ (1-6金屬導(dǎo)體在受到應(yīng)變作用時(shí)將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時(shí)電阻增大，壓縮時(shí) 電阻減小，且與其軸向應(yīng)變成正比。金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度與電阻變化成正比 ， 金屬導(dǎo)體的電阻應(yīng)變靈敏度一般在 2左右。(2半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度：主要取決于其壓阻效應(yīng)：dR/Rv - dp/p半導(dǎo)體受力變形 時(shí)會(huì)暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，

5、使得它們的電阻率 發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。且不同材質(zhì)的半導(dǎo)體在不同受 力條件下產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)不同，可以是正(使電阻增大的或負(fù)(使電阻減小的壓阻效 應(yīng)。也就是說同樣的拉伸變形，不同材質(zhì)的半導(dǎo)體將得到完全相反的電阻變化效 果。半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)為壓阻效應(yīng)，可正可負(fù)，與材料性質(zhì)和應(yīng)變 方賂有關(guān)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應(yīng)變片應(yīng)用在貼片式工藝的傳感器上普遍應(yīng)用金屬箔式應(yīng)變片，貼片式半導(dǎo)體應(yīng)變片(溫 度、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞很少應(yīng)用，一般半導(dǎo)體應(yīng)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(kuò)散出半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜（擴(kuò)散出

6、敏感柵，制 成擴(kuò)散型壓阻式（壓阻效應(yīng)傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用金屬箔式應(yīng)變片為研究對(duì)象。4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上 ，粘貼直徑為0.025mm左右 的金屬比或金屬箔制成，如圖1-1所示：基片圖1-1箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件 ，與比式應(yīng)變 片工作原理相同。電阻在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí) ，其電阻值發(fā)生變化，這就是電 阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為： R/R=K式中； R/F為電阻絲電阻相對(duì)變化,K 為應(yīng)變靈敏系數(shù)& = L/I為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。5、測(cè)量電路為了將電阻應(yīng)變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電

7、流信號(hào)，在應(yīng)用中一般采用電橋電路作為其測(cè)量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高、測(cè)量范圍寬、線性度好且易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。能較好滿足各種應(yīng)變測(cè)量要求，因此在應(yīng)變測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。電橋電路按其工作方式分為單臂、雙臂（半橋和全橋三種，單臂工作輸出信號(hào)最小、線性、穩(wěn)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(shí)的輸出是單臂時(shí)的四倍，性能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓信 號(hào)一般都是采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D 1-2（a、（b、（c所示。 (a (b (c (圖1-2應(yīng)變片測(cè)量電路(a、單臂Uo=U-U(44/(4431心2(12(441(344/(344(121234

8、4/4/1/(1/4(4/4(1/4(/(1/4R R R R R R R R ER R R R R R R R R R R R R E R R R R R R R R R R K Uo R R E R R E K E££ = + ? + ?+= ? -+ + ? ? + = = = ? = ?VV?= ? = ? =(b、雙臂(半橋同理:(12(12O U R R E K E £ ?=全橋同理:(O U R R E K E 十?=應(yīng)變片全橋性實(shí)驗(yàn)原理如圖3-1所示。應(yīng)變片全橋測(cè)量電路 將受力方向相同 的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，相反的?yīng)變片接入電橋鄰邊。當(dāng)應(yīng)變片初始

9、阻 值:R仁R2=R3=R4,其變化值 R1=A R2=A R3=A R4寸，其橋路輸出電壓 Uo -(A R/RE=K &其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。圖3-1應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)原理圖六、實(shí)驗(yàn)步驟1、請(qǐng)按下圖進(jìn)行接線：電阻應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)?zāi)K的電源單元接主臺(tái)體上的±5V,其 他的接線嚴(yán)格按照以下接線圖進(jìn)行電血川燼戕飛( T O 0-I丹 jhj *15V圖3-2全橋性能接線圖2、將差動(dòng)放大器調(diào)零：將Vin+、Vin-、GND進(jìn)行短接,V out2接到主臺(tái)體電壓 表上，選擇20V檔，打開主臺(tái)體電源和電阻應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K，將RW3調(diào)至中間位 置調(diào)節(jié)RW4使電壓表顯示為0,關(guān)閉主臺(tái)體電源。3、將電阻應(yīng)變的電橋輸出接入到 Vin+、Vin-,打開主臺(tái)體電源，調(diào)節(jié)電橋單元 中的RW1電位器使電橋輸出為0。4、在托盤中放入一只砝碼(20g/只，讀取數(shù)顯電壓值，依次增加砝碼和讀取相對(duì) 應(yīng)的數(shù)顯表值，記下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表1。表1應(yīng)變片單臂電橋特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重ft電壓(V)5、根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實(shí)驗(yàn)曲線并計(jì)算靈敏度 S=A V/ W ( 輸出電壓變化 量，AW重量變化量和非線性誤差 S用最小二乘法,S =A m/yFS*100式中Am為輸出 值(多次測(cè)量時(shí)為平均值與擬合直線的最大偏差;yFS滿量程輸出平均值,此處為