自动化传感器实验报告二金属箔式应变片——半桥性能实验(2)

（选做）光纤传感器的位移特性实

(20) 一

验 ··························

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实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应，并掌握单臂电桥工作原理 和性能。

二、基本原理:

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。 一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感 器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形， 然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电 阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电 物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建 筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或

半导体材料在外力作用

下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效 应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为 r、材料的电阻率为ρ时，根据

电阻的定义式得

（1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度 L、截面积 A 和电阻率ρ的变化为 dL、

dA、dρ相应的电阻变化为 dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率 dR/R 为：

（1—2）

式中：dL/L 为导体的轴向应变量 εL; dr/r 为导体的横向应变量 εr

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由材料力学得： εL= - μεr (1—3)

式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为 0.3～0.5 左右；负号表 示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特 有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

(1)、金属导体的应变灵敏度 K：主要取决于其几何效应；可取

（1—5）

其灵敏度系数为：

K =

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻 减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在 2 左右。 (2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ?ρ。半导体 材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻 效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体 的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效 应 。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正

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（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变 形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般 在 100 到 200 左右。

3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片

（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用 N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜 （扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。 ＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构 金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为

0.025mm 左右 的金属丝或金属箔制成，如图 1—1 所示。

(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片 图 1-1 应变片结构图

金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，与丝式应变 片工作原理相同。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化， 这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： ΔR／R＝Kε 式中： ΔR／R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数,ε=ΔL/L 为电阻丝长度相对 变化。

5、箔式应变片单臂电桥实验原理图

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篇三：自动化传感器实验报告一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

广东技术师范学院实验报告

学院： 自动化 专业： 自动化 姓名：实验地点： 学号：

实验日期：班级： 08自动化 组

别：

成

绩：

组员：指导教师签名：

实验一 项目名称： 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、 实验目的

了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

二、 基本原理

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：

R??

l

（1） S

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长?l，横截面积相应减小?S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变??，故引起电阻值变化?R。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

?R?l?S??（2） ???RlS?

式中的?l为电阻丝的轴向应变，用?表示，常用单位??（1??=1×10?6）。

若径向应变为?r

，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比?表示为

????，因为?S=2（?），则（2）式可以写成： （?）?R?l??????l?l（3）

?1?2?）??（1?2???k0Rl??lll

式（3）为“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2?），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是??，是

??）

材料的电阻率?随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则

k0?1?2?，对半导体，k0值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉

伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值?，而根据应

力应变关系：

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