发布时间 : 星期五 文章传感器实验讲义 4-1-9实验室适用 - 图文更新完毕开始阅读6dc4673a43323968011c923b
【实验1】 电阻应变片传感器性能实验
一、 实验目的：
1、 2、 点。
了解金属箔式应变片的应变效应；
比较单臂、半桥、全桥的不同性能，了解其灵敏度和非线性度的特
二、 基本原理：
在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现非电量测量目的的，它们统称为电阻式传感器。由于各种电阻材料受被测量（如位移、应变、压力、温度、加速度等）作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器种类多，应用范围广，其中最常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器。
1、
应变片的结构。
利用导电丝材料的电阻应变效应，可制成测量试件表面应变的敏感元件。为在尺寸范围内敏感元件有较大的应变输出，通常把应变丝做成栅状的应变敏感元件，简称为应变片。
应变片结构形式很多，但主要组成部分基本相同，见图 1-1。
图 1-1 电阻丝式应变片的结构 1-敏感栅；2-覆盖层；3-引出线；4-基底
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(1) 敏感元件。它的作用是感受试件的变形，并将机械应变转换成电阻
变化。用金属电阻丝（或箔）制成的敏感元件称敏感栅。它通常是用金属丝绕成栅状，或金属箔腐蚀成栅状。敏感元件的电阻值一般在100Ω以上。
(2)
基底和覆盖层。作用是固定和保护敏感元件；当应变片粘贴在试件
上后，与粘贴剂一起把试件的变形传给敏感元件；使敏感元件与试件绝缘。基底很薄，一般为0.02~0.04mm。
(3)
引出线。它起着敏感元件与测量电路之间的过渡和引导作用。通常
取直径约0.10~0.15mm的低阻镀锡铜线或银线。
(4)
粘结剂。用它分别把盖层和敏感元件固结于基底；在使用时，用它
把应变片基底粘贴在试件表面的被测部位。
图 1-2，图 1-3是金属箔式和半导体式两种典型敏感元件结构型式及其组成。
图 1-2 箔式应变片
图 1-3 半导体应变片
1-基底；2-单晶硅条；3-内引线；4-焊接电极；5-外引线 2、
应变电桥的非线性。
?R成线性关系。但R?R对半导体应变片，由于K值很大，所以，当应变?较大时（其值可达10%）
R当?R??R时，电桥的输出电压与应变片的电阻变化率
用线性关系式标出的电桥输出与电桥实际输出之间存在着很大的误差，即称之为
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非线性误差。对于电压输出的电桥，非线性误差?f??U???U?100%，式中：U?U?为电桥实际输出电压；?U为按线性关系计算的电桥输出电压。
当
?R甚大时，应注意修正电桥非线性误差的影响，如增加工作臂数（对双R臂或四臂），在一定条件下可使电桥输出的非线性大大改善。
采用差动电桥可消除非线性误差。
在右（a）图中，两个应变片一个受拉，一个受压， 它们阻值变化大小相等、符号相反，工作时将两个应变 片接在电桥的相邻臂内，如?R1??R1?和?R??R2?， 这种桥路结构称为半桥差动电路。
在右（b）图中，粘结四个工作应变片，两个受拉， 两个受压，将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相 对臂内，符号不同的接在相邻臂内，这种桥结构称为全 桥差动电路。
半桥差动电路的输出电压
?R1??R1R4??U0?U1?U2???U ?R??R?R??R?R3?R4?122?1若电桥初始平衡，则
R1R4成立，在对称情况下，R1?R2,R3?R4在根据?R2R3U?R1 2R1?R1，而单臂电桥的输出R1两应变片的电阻变化特征，即?R1??R2，则上式U0?同理，全桥差动电路的输出电压U0?U1?U2?U电压
U0??RU?R1U，由于忽略分母中的“微小项”1，才得到U0?。
4R1R14?1?R1???1??2R?1???R1R1三式比较，可知差动电桥不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度也提高，同时还能起温度补偿作用。
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3、 应变梁位置和结构。
应变片位于仪器工作台部分的上边，是一付双平行悬臂梁，如图1-13所示：其上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号 和 表示。其中，六片为金属箔式应变片（BHF—350）， 横向所贴的两片为温度偿片，用 符号 和 表示，片上标有 “BY”字样的为半导体应变片， 其灵敏系数为130。
图1-13 应变梁结构图 4、
金属箔电阻应变片型号、代号说明。
型号BHF—350，代号说明：B??箔式（类别），H??环氧类（贴结剂），F??类（基底材料），350??电阻值Ω。
5、
电阻应变片的转换原理
电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路组成。被测力学量作用在一定形状的弹性元件（如悬臂梁、双孔悬臂梁等）上使之产生形变，这时，粘贴在上面的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为电阻值的变化，之后，采用变换测量电路将电阻的变化转化为电压的变化，作为输出量。使用最多的电阻应变敏感元件是金属或半导体电阻应变片。
图 1-4 金属丝拉伸后的电阻变化
一段圆截面的元件（金属丝或半导体丝），如图 1-4，长为L，截面积为A（直径为D），电阻初值为R，?为材料的电阻率。则
R??L式 1-1 A当受到轴向力F被拉伸（或压缩）产生形变时，电阻值随之变化。对式 1-1两边取对数后微分得：
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