大連理工大學
大學物理實驗報告
院（系） 材料學院專業材料物理班級 0705
姓名童凌煒學號 200767025 實驗台號
實驗時間 2009 年 03 月 06 日，第二週，星期五第 5-6 節
實驗名稱電阻應變式感測器
教師評語
實驗目的與要求：
1. 學習電阻應變式感測器的基本原理、 結構、 特性和使用方法
2. 測量比較幾種應變式轉換電路的輸出特性和靈敏度
3. 了解溫度變化對應變測試系統的影響和溫度補償方法
主要儀器裝置：
csy10a型感測器系統實驗儀
實驗原理和內容：
1. 應變效應
導體或半導體在外力的作用下發生機械變形時， 其阻值也會發生相應的變化， 成為應變效應。 電阻應變片的工作原理即是基於這種效應， 將本身受力形變時發生的阻值變化通過測量電路轉換為可使用的電壓變化等以提供相關力的大小。
金屬絲的電阻應變數可由以下算式表達：
金屬絲的原始電阻值為， 收到軸向拉力時， 發生電阻值變化， 變化比例的表示式為：， 根據金屬絲在力學和材料學上的相關性質， 在彈性範圍內可以對公式進行改寫， 得到， 其中係數k稱為電阻應變片的靈敏係數， 表示單位應變數引起的電阻值變化， 它與金屬絲的幾何尺寸變化和本身的材料特性有關； 一般半導體的靈敏係數要遠大於金屬的靈敏係數。 （由於受力會影響到半導體內部的載流子運動， 固可以非常靈敏地反映細微的變化）
2. 電阻式應變感測器的測量電路
轉換電路的作用是將電阻變化轉換成電壓或電流輸出， 電阻應變式感測器中常用的是橋式電路， 本實驗使用直流電橋。
駁接阻抗極高的儀器時， 認為電橋的輸出端斷路， 只輸出電壓訊號； 根據電橋的平衡原理， 只有當電橋上的應變電阻發生阻值變化時， 電壓訊號即發生變化； 電橋的靈敏度定義為
根據電阻變化輸入電橋的方法不同， 可以分為單臂、 半橋和全橋輸入三種方式：
2.1 單臂電橋
只接入乙個應變電阻片， 其餘為固定電阻。 設電橋的橋臂比為， 根據電橋的工作原理， 並忽略一些極小的無影響的量， 可以得到輸出電壓的表示式為， 同時得到單臂電橋靈敏度表示式
單臂電橋的實際輸出電壓與電阻變化的關係是非線性的， 存在非線性誤差， 故不常使用。
2.2 半橋
如圖， 接入兩個應變電阻和固定電阻， 設初始狀態為r1=r2=r3=r4=r, δr1=δr2=δr， 可以得到電壓表示式， 半橋靈敏度表示式， 可見輸出電壓與電阻的變化嚴格呈線性關係， 不存**性誤差， 靈敏度比單臂電橋提高了一倍。
2.3 全橋
全部電阻都使用應變電阻， 且相鄰的兩個臂的受力方向相反， 根據電橋性質可以得到電壓及靈敏度的表示式，， 可見差動電橋的靈敏度比單臂電橋提高了4倍， 故廣泛被使用。
補償片的方法消除溫度帶來的漂移誤差： 在單臂電橋中， 將與工作電阻同側的固定電阻更換成相同受力方向的補償片， 且原始電阻值相等； 這樣在實際使用中， 由於溫度造成的電阻值變化被抵消， 且補償片不受力， 故可以消除電壓的漂移輸出。
步驟與操作方法：
1. 箔式單臂電橋的效能
1.1 差動放大器調零， 開啟所用單元的電源開關， 差放器增益置於100倍， 並進行相關的其他調零處置。之後關閉電源
1.2 按照右側的電路圖連線實驗所需的元件， 組成箔式單臂電橋電路。
1.3 調節懸臂梁頭部鐵心吸合的測微頭， 使應變梁處以基本水平狀態。
1.4 確定連線無誤以後， 啟動儀器電源並預熱數分鐘； 調整電橋wd電位器， 使測試系統的輸出為零。
1.5 旋動測微頭， 帶動懸臂梁分別向上和向下運動各5mm， 其中測微頭每移動0.5mm記錄一次差動放大器輸出的電壓值； 然後畫出x-v曲線， 並計算橋路的靈敏度kv=δv/δx
2. 箔式單臂、 半橋、 全橋電路的效能比較
基本操作過程與實驗1相同， 其中連線電路部分分別使用上下梁的兩個應變片， 以構成半橋； 或者全部使用應變片以構成全橋。 並進行實驗， 記錄資料。
在同一座標上畫出三種橋路的x-v曲線， 並進行靈敏度的比較。
3. 箔式應變片的溫度效應及應變電路的溫度補償
3.1 參照實驗1的步驟， 將差動器的部件調零
3.2 參照實驗1的電路連線所用的元件， 並將差分放大器的輸出端接毫伏表， 將p-n結溫度感測器接入感測端， vt接數字電壓表。 數字電壓表置於2v檔， 顯示環境的絕對溫度。
3.3 開啟儀器的電源並預熱數分鐘。 調整電橋的wd電位器， 使測試系統的輸出為零， 並記錄此時的溫度t。
3.4 開啟加熱器電源， 觀察輸出電壓隨溫度上公升所發生的變化， 並記錄多組資料， 計算溫度漂移δv/δt。
3.5 將r4換成與應變片處於同乙個應變梁上的補償片， 重複以上實驗資料， 計算新的溫度漂移並與之前的進行比較。
4. 半導體單臂和半橋電路效能的比較
4.1 調零儀器， 並按照電路圖連線電路， r』是半導體應變片， r』』是電橋上的固定電阻， 直流激勵電源為±2v； 開啟電源後預熱數分鐘。
4.2 調節應變梁處於基本水平狀態， 調整電橋wd電位器， 使測試系統輸出為零。
4.3 旋動測微頭， 以向上向下各5mm為限， 0.5mm為間隔記錄資料x，v， 並作x-v曲線， 計算靈敏度
4.4 重新調整應變梁處於基本水平狀態， 並重新調整輸出為零。 用p-n結溫度感測器測出系統的溫漂。
4.5 按照電路圖連線半導體半橋雙臂電路， 半導體應變片處於同一橋側， 重複以上實驗步驟， 比較兩種半導體橋路的靈敏度和溫度漂移。
5. 相關注意事項
5.1 在進行先向上再向下的位移操作中， 易產生零點漂移； 計算式可以將正負兩個方向的δx分開計算靈敏度以後再取平均得到。
資料記錄與處理：
單臂電橋資料
起始位置 x0=10.950mm
半橋資料
起始位置 x0=10.950mm
結果與分析：
將單臂電橋和半橋的資料繪製成座標散點圖， 並且擬合出直線， 如上圖所示：
根據圖中所新增的擬合直線， 在直線上取樣計算斜率， 可以得到以下四個斜率， 表現為各自的靈敏度：
使用mls， 測量電路的靈敏度kv=δv/δx=，
負向形變， 單臂電橋
正向形變， 單臂電橋
負向形變， 半橋
正向形變， 半橋
綜合以上四個計算結果來看：
單位： v/mm
從實驗資料中得到的結果可見， 半橋電路的靈敏度比單臂電橋的靈敏度的兩倍還要高一些
kv2=0.0229>2*kv1=0.01824， 這與理論計算上的kv2=2*kv1不相同， 而半橋的靈敏度是嚴格等於0.
5u的， 說明實際上單臂電橋測量電路存在溫度漂移和非線性誤差， 導致其實際的靈敏度要低於0.25u， 原因是應變電阻的變化量相比於固定電阻的阻值不可以被忽略。
討論、建議與質疑：
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