石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 传感器箔式应变片原理及其性能参数测试 传感器技术是现代信息技术的三大基础之一。它不仅能代替人的某些感知功能，也能感知一些人的 感官所不能感受到的参数，在工业自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生、航 天等领域有若广泛的应用 【实验目的】 1、掌握箔式应变片的原理、结构及使用方法。 2、掌握应变片电桥测量电路原理及性能。 【实验仪器】 SY1传感器实验仪 仪器的使用部分：(1)应变片：(2)直流稳压电源：(3)副电源下的单臂电桥：(4)毫伏表：(5) 电压/频率表(6)差动放大器 【实验原理】 1、应变片的原理及结构 应变片是最常用的测力传感元件之一。其工作原理基于导体的应变一电阻效应：导体在应力作用下发 生应变，使其电阻值相应地发生变化。在弹性范围内，电阻的相对变化与应变间的关系为 S=AR/R (1) S称为应变灵敏系数，其物理意义，其物理意义为单位应变引起的物理电阻的相对变化 为了使应变片既有一定的电阻，又不太长，应变片都是做成栅状，其结构如图1所示。金属丝的轴向 长度缩短，集中在一小块面积上，因而能近似反映这一面积上的平均应变。 有栅状应变片的结构可知，敏感栅中除有纵向栅线外，还有圆弧或直线 形的横栅。横栅既对应变片轴线方向的应变敏感，又对垂至于轴线方向的横 向应变敏感，使应变片指示的应变中包含有横向应变的影响，即应变片的横 向效应。为了尽可能减少横向应变效应，应变片应当牢固粘贴在测试体表面。 应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片的敏感栅是金属 箔片，其横向部分特别粗，科大大减小横向效应：与基底的接触面积大，能 图1橱状应变片结构 更好地随同试件变形：另外，箔式应变片线段表面积大，散热条件好，允许 1金属丝2基质3保护膜4引线
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 传 感 器-箔式应变片原理及其性能参数测试 传感器技术是现代信息技术的三大基础之一。它不仅能代替人的某些感知功能，也能感知一些人的 感官所不能感受到的参数，在工业自动化、能源、交通、灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生、航 天等领域有着广泛的应用。 【实验目的】 1、掌握箔式应变片的原理、结构及使用方法。 2、掌握应变片电桥测量电路原理及性能。 【实验仪器】 SY-1 传感器实验仪。 仪器的使用部分：（1）应变片；（2）直流稳压电源；（3）副电源下的单臂电桥；（4）毫伏表；（5） 电压/频率表；（6）差动放大器。 【实验原理】 图 1 栅状应变片结构 1 金属丝 2 基质 3 保护膜 4 引线 1、 应变片的原理及结构 应变片是最常用的测力传感元件之一。其工作原理基于导体的应变－电阻效应：导体在应力作用下发 生应变，使其电阻值相应地发生变化。在弹性范围内，电阻的相对变化与应变间的关系为 = l/l R / R S ∆ ∆ （1） S 称为应变灵敏系数，其物理意义，其物理意义为单位应变引起的物理电阻的相对变化。 为了使应变片既有一定的电阻，又不太长，应变片都是做成栅状，其结构如图 1 所示。金属丝的轴向 长度缩短，集中在一小块面积上，因而能近似反映这一面积上的平均应变。 有栅状应变片的结构可知，敏感栅中除有纵向栅线外，还有圆弧或直线 形的横栅。横栅既对应变片轴线方向的应变敏感，又对垂至于轴线方向的横 向应变敏感，使应变片指示的应变中包含有横向应变的影响，即应变片的横 向效应。为了尽可能减少横向应变效应，应变片应当牢固粘贴在测试体表面。 应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片的敏感栅是金属 箔片，其横向部分特别粗，科大大减小横向效应；与基底的接触面积大，能 更好地随同试件变形；另外，箔式应变片线段表面积大，散热条件好，允许 1
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 通过较大的电流，其结构见图2。 2、应变电桥测量电路及其特性 电桥电路是常用的非电量测量电路，其电路如图3。输出电 压n为 U。=E RR-RR (2) (R+R)(R3+R) 电桥平衡(RR=RR)时，由上式可知电桥输出电压 Uo-0. 图2箔式应变片 设电阻R1、R、R、R的相对变化分别为AR/R、AR/R、AR/R、AR/R,R1=R,=R R4,则在一阶近似情况下，有 令6=M11,由式(1)和式(3)，有 U,-sG-6,-8+e)④ 单位电阻变化率时对应的输出电压大小定义为电桥的灵敏度S,即 S,=aR7R 显然，电桥灵敏度Sv越大，单位应变的输出电压越大 图3电桥电路 按工作臂的不同，可将应变电桥分为：单臂应变电桥一一电桥的一个臂接入 变片：双臂应变电桥一一电桥的两个臂接入应变片：全臂应变电桥一一电桥的四个臂接入应变片。不同电 桥工作时的灵敏度是不同的。 D对单臂电桥，只要桥臂R工作，则U,=。,=AR7R4 ESe U。 2 U。E 3)对双臂电桥，着R和机为工作牌，则6=反=6，=SARR方 2 U (4)对全臂电桥，6=6=-6=-6=,U。=ES6,S= ARIR=E. 【实验步骤】 1.单臂电桥箔式应变片性能的测量 (1)观察应变片，调节测微器，使应变片处于自由状态（水平位置，目测）： (2)接通总电源和副电源，使总电源处于4伏： (3)对差动放大器调零。方法是用导线将同相输入端和反相输入端连接，并将其对地短路，再将差分放
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 通过较大的电流，其结构见图 2。 2、应变电桥测量电路及其特性 电桥电路是常用的非电量测量电路，其电路如图 3。输出电 压U0为 电桥电路是常用的非电量测量电路，其电路如图 3。输出电 压U0为 1 4 0 1 2 ( ) − = R R R U E 2 3 3 4 + + ( ) R R （2） R R R 电桥平衡（ R1 4 R R = 2R3 ）时，由上式可知电桥输出电压 UO=0。 图 2 箔式应变片 A C U0 R1 R2 R3 R4 E 设电阻R1、R2、R3、R4的相对变化分别为 1 / ∆R R1、 2 2 ∆R / R 、 3 3 ∆R / R 、 4 / ∆R R4，R1＝R2＝R3＝ R4，则在一阶近似情况下，有 1 2 3 4 1 2 3 4 = − ( ) − + R 0 4 E R U R R R R R R ∆ ∆ ∆ ∆ （3） 令ε = ∆l /l ，由式（1）和式（3），有 0 1 4 = − E U S 2 3 4 ( ) ε ε ε − + ε (4) 单位电阻变化率时对应的输出电压大小定义为电桥的灵敏度 Sv，即 图 3 电桥电路 0 / V = U S ∆R R (5) 显然，电桥灵敏度 Sv 越大，单位应变的输出电压越大。 按工作臂的不同，可将应变电桥分为：单臂应变电桥――电桥的一个臂接入 应 变片；双臂应变电桥――电桥的两个臂接入应变片；全臂应变电桥――电桥的四个臂接入应变片。不同电 桥工作时的灵敏度是不同的。 （1）对单臂电桥，只要桥臂R1工作，则 0 4 = ES U ε , 0 / 4 V = = U E S ∆R R 。 （2）对双臂电桥，若R1和R2为工作臂，则ε 1 2 = ε = ε ， 0 2 = ES U ε ， 0 / 2 V = = U E S ∆R R 。 （3）对双臂电桥，若R1和R4为工作臂，则ε 1 4 = ε = ε ， 0 2 = ES U ε ， 0 / 2 V = = U E S ∆R R 。 （4）对全臂电桥，ε 1 4 = εεε = − 2 = − 3 = ε ，U0 = ESε ， 0 / V = = U S E ∆R R 。 【实验步骤】 1. 单臂电桥箔式应变片性能的测量 （1）观察应变片，调节测微器，使应变片处于自由状态（水平位置，目测）； （2）接通总电源和副电源，使总电源处于 4 伏； （3）对差动放大器调零。方法是用导线将同相输入端和反相输入端连接，并将其对地短路，再将差分放 2
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 大器的输出端连接到毫伏表的输入端。然后把差分放大器的增益调小、毫伏表的量程放在较大的档位，调 节毫伏表的调零旋钮，使电压最小，再增大增益，再调电压到最小，如此反复，逐步调节到增益最大时毫 伏表的电压最小。此时把毫伏表的量程变小，再调。最终，增益最大时差动放大器的输出最小。此时可以 把放大器的增益变小。(4)关闭电源，把毫伏表的量程调到0.5伏。按图4连接线路，其中RD为电位器， R为箔式应变片。 (5)检查无误后，调节调零电位器RD使毫伏表的指针为零。随着毫伏表的指针接近零，要逐步增大增益、 逐步减小毫伏表的量程，到量程为5mV为止。 (6)旋转测微头使其向上运动并带动弹性梁向上弯曲。以实验开 始时弹性梁的水平状态为实验测量的起点（此时输出电压为零）， 测微头向上每移动0.500mm记录一次差动放大器输出电压值，直 到测微头向上移动5.000mm。将所测数值填入表1中。 R 图4测量电路 (7)反方向转动测微头使其退回5.000mm,弹性梁回到水平状态。 RR 由于应变片的机械滞后效应，此时放大器输出信号可能不为零， 记下此时电压表的读数。静等1~2mi,观察毫伏表上读数是否变化。然后调节调零电位器RD使毫伏表 的指针再次为零。 (8)旋转测微头使其向下运动并带动弹性梁向下弯曲。测微头向下每移动0.500mm记录一次差动放大器 输出电压值，直到测微头向下移动5.000mm。将所测数值填入表1中。 表1 位移(mm) 电压(mv) 位移(mm) 电压(mv) 2.半桥电路箔式应变片性能的测量 保持放大器增益不便，将图4中R换成与R工作状态相反的箔式应变片，形成板桥，重复(1)~(8) 步骤。 2.在同一坐标下作出两种电路下的一x曲线，计算并比较电路灵敏度S= ,W为电压的变化，r 为位移的变化
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 大器的输出端连接到毫伏表的输入端。然后把差分放大器的增益调小、毫伏表的量程放在较大的档位，调 节毫伏表的调零旋钮，使电压最小，再增大增益，再调电压到最小，如此反复，逐步调节到增益最大时毫 伏表的电压最小。此时把毫伏表的量程变小，再调。最终，增益最大时差动放大器的输出最小。此时可以 把放大器的增益变小。（4）关闭电源，把毫伏表的量程调到 0.5 伏。按图 4 连接线路，其中RD为电位器， R4为箔式应变片。 （5）检查无误后，调节调零电位器 RD 使毫伏表的指针为零。随着毫伏表的指针接近零，要逐步增大增益、 逐步减小毫伏表的量程，到量程为 5mV 为止。 （6）旋转测微头使其向上运动并带动弹性梁向上弯曲。以实验开 始时弹性梁的水平状态为实验测量的起点（此时输出电压为零）， 测微头向上每移动 0.500mm 记录一次差动放大器输出电压值，直 到测微 头 向上移动 5.000mm。 将 所测数 值 填入表 1 中 。 图 4 测量电路 （7）反方向转动测微头使其退回 5.000mm，弹性梁回到水平状态。 由于应变片的机械滞后效应，此时放大器输出信号可能不为零， 记下此时电压表的读数。静等 1～2min，观察毫伏表上读数是否变化。然后调节调零电位器 RD 使毫伏表 的指针再次为零。 + V R R R R r -4 + R （8）旋转测微头使其向下运动并带动弹性梁向下弯曲。测微头向下每移动 0.500mm 记录一次差动放大器 输出电压值，直到测微头向下移动 5.000mm。将所测数值填入表 1 中。 表 1 位移（mm） 电压（mv） 位移（mm） 电压（mv） 2. 半桥电路箔式应变片性能的测量 保持放大器增益不便，将图 4 中R3换成与R4工作状态相反的箔式应变片，形成板桥，重复（1）～（8） 步骤。 2. 在同一坐标下作出两种电路下的 v—x 曲线，计算并比较电路灵敏度 = V S x ∆ ∆ ，∆V 为电压的变化，∆x 为位移的变化。 3
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 【注意事项】 1、要将音频、低颊振荡器的幅度调到最小，以减小对直流稳压电源的影响。 2、接线是否成功，可以用手摇动应变片，看毫伏表指针的变化，有变化就是成功。 3、由于弹性梁存在机械滞后效应，因此算应变片灵敏度时可分别计算正4x的灵敏度和负4x的灵敏度， 最后取其平均值
石河子大学师范学院物理系 近代物理实验讲义 【注意事项】 1、要将音频、低频振荡器的幅度调到最小，以减小对直流稳压电源的影响。 2、接线是否成功，可以用手摇动应变片，看毫伏表指针的变化，有变化就是成功。 3、由于弹性梁存在机械滞后效应，因此算应变片灵敏度时可分别计算正 ∆x 的灵敏度和负 ∆x 的灵敏度， 最后取其平均值。 4