一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>

　　了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，并掌握單臂電橋工作原理和性能。

　　二、基本原理：

　　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)換為電阻變化的傳感器。此類傳感器主要是通過一定的機(jī)械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應(yīng)變片將彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出。它可用于能轉(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機(jī)械加工、計(jì)量、建筑測量等行業(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)則外形的金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變而其電阻值也會產(chǎn)生相應(yīng)地改變，這一物理現(xiàn)象稱為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。以圓柱形導(dǎo)體為例：設(shè)其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為ρ時(shí)，根據(jù)電阻的定義式得（1—1）。

　　當(dāng)導(dǎo)體因某種原因產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其長度L、截面積A和電阻率ρ的.變化為dL、dA、dρ相應(yīng)的電阻變化為dR。對式（1—1）全微分得電阻變化率dR/R為：（1—2）。

　　式中：dL/L為導(dǎo)體的軸向應(yīng)變量εL；dr/r為導(dǎo)體的橫向應(yīng)變量εr。

　　由材料力學(xué)得：εL= — μεr（1—3）。

　　式中：μ為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0。3～0。5左右；負(fù)號表示兩者的變化方向相反。將式（1—3）代入式（1—2）得：（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（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�。�1—5）

　　其靈敏度系數(shù)為：

　　K =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/R<≈dρ？ρ。半導(dǎo)體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因?yàn)樗�有遠(yuǎn)比金屬導(dǎo)體顯著得多的壓阻效應(yīng)。在半導(dǎo)體受力變形時(shí)會暫時(shí)改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理，使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。不同材質(zhì)的半導(dǎo)體材料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，同樣是拉伸變形，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)，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（溫漂、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)以金屬箔式應(yīng)變片為研究對象。

　　4、箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

　　金屬箔式應(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左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖1—1所示。

　�。╝）絲式應(yīng)變片（b）箔式應(yīng)變片

　　圖1—1應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

　　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，與絲式應(yīng)變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(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：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R為電阻絲電阻相對變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化。

　　5、箔式應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)原理圖。

　　圖1—2應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)原理圖。

　　對單臂電橋輸出電壓U01=EKε/4。

　　三、需用器件與單元：

　　應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０�、�?yīng)變式傳感器、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±4V電源、萬用表（自備）。

　　四、實(shí)驗(yàn)步驟：

　　1、根據(jù)圖（1—3）應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模板上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加熱絲也接于模板上，可用萬用表進(jìn)行測量判別，R1=R2=R3=R4=350Ω，加熱絲阻值為50Ω左右。

　　圖1—3應(yīng)變式傳感安裝示意圖

　　2、接入模板電源±15V（從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭{(diào)節(jié)增益電位器Rw3順時(shí)針調(diào)節(jié)大致到中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯表電壓輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器RW4，使數(shù)顯表顯示為零（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。

自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)報(bào)告3