华中科技大学自控传感器实验报告.doc

传感器与检测技术 实验报告 小组成员 班级 学号 杜雄 自动化1405班 U201414355 徐航 自动化1405班 U201414372 实验时间：2016年10月21日 2016年10月28日 实 验 目 录 实 验 一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 ··························(2) 实 验 二 金属箔式应变片——半桥性能实验 ··································(7) 实 验 三 金属箔式应变片——全桥性能实验 ··································(8) 实 验 四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 ·········(9) 实 验 五 直流全桥的应用——电子秤实验·····································(10) 实 验 六 差动变压器的性能实验 ······················································(11) 实 验 七 电容式传感器的位移特性实验 ··········································(15) 实 验 八 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 ·····················(16) 实 验 九 电涡流传感器的位移特性实验 ··········································(18) 实 验 十 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验（选做） (20) 实 验 十一一 光纤传感器的位移特性实验 ··············································(21) 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 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 （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