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,单臂电桥工作原理和性能。二、实验内容了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作情况。三、实验仪器传感器检测技术综合实验台、电阻应变片实验模块、万用表(自备)、砝码、导线。四、实验原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时,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。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,通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化,电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。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成电阻变化的传感器,此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量的电阻转换成电压或是电流变化信号输出。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,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的改变,这一物理现象称为“电阻应变效应”。经圆柱形导体为例: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2LLRArρρπ==(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)全微公得电阻变化率dR/R为:2dRdLdrdRLrρρ=-+(1-2)式中:dL/L为导体的轴向应变量ε;dr/r为导体的径向应变量rεμε=-(1-3)式中:u为材料的泊松比,~;负号表示两者的变化方向相反。将式(1-3)代入式(1-2)得:(12)dRdRρμερ=++(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(12)dRRμε≈+(1-5)其灵敏度系数为:(12)dRKRμε==+(1-6)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与电阻变化成正比,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<≈dp/p。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,使得它们的电阻率发生变化,这种物理现象称之为半导体的压阻效应。且不同材质的半导体在不同受力条件下产生的压阻效应不同,可以是正(使电阻增大)的或负(使电阻减小)的压阻效应。也就是说同样的拉伸变形,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,可正可负,与材料性质和应变方赂有关,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(温度、稳
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