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研究报告

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《传感器与检测技术》金属箔式应变片性能研究实验报告

一、实验目的

1.研究金属箔式应变片的工作原理

金属箔式应变片是一种常用的传感元件，其工作原理基于应变片材料的电阻随其形变程度而变化的特性。这种应变片通常由一层很薄的金属箔制成，这种金属箔具有很高的电阻率。当应变片受到拉伸或压缩时，其长度和横截面积会发生变化，导致电阻值也随之改变。这种电阻的变化与应变之间存在一定的比例关系，这个比例关系被称为应变片的灵敏度。应变片的工作原理主要基于以下三个基本步骤：首先，当应变片受到外力作用时，其形状发生改变，导致电阻值发生变化；其次，通过测量电阻值的变化，可以计算出应变片所承受的应变大小；最后，根据应变的大小，可以进一步推导出所测量的应力大小。这种基于电阻变化来测量应变的原理使得金属箔式应变片在工程测量、结构健康监测等领域得到了广泛应用。

金属箔式应变片的制造通常包括以下几个步骤：首先，选择合适的金属箔材料，如铜、镍、铬等，这些材料具有良好的机械性能和电学性能。接着，将金属箔经过精密的机械加工，形成所需的形状，如矩形、圆形等。然后，对金属箔进行腐蚀处理，以形成应变片的核心部分——敏感栅。敏感栅的形状和尺寸对应变片的灵敏度和线性度有重要影响。最后，将敏感栅粘贴在基板上，并通过引线连接到测量电路中。在整个制造过程中，控制金属箔的厚度、形状和尺寸是保证应变片性能的关键。

金属箔式应变片在实际应用中具有多种优点。首先，其结构简单，制造工艺成熟，成本相对较低。其次，应变片具有较好的机械性能，能够在恶劣环境下稳定工作。此外，金属箔式应变片的灵敏度较高，线性度好，能够满足大多数测量需求。然而，应变片也存在一些局限性，如温度系数较大，容易受到温度变化的影响；此外，应变片的尺寸和形状可能受到安装方式的影响，从而影响测量结果的准确性。因此，在使用金属箔式应变片时，需要综合考虑其优缺点，选择合适的材料和安装方式，以确保测量结果的可靠性。

2.评估金属箔式应变片的性能指标

(1)评估金属箔式应变片的性能指标是确保其有效性和可靠性的关键。其中，灵敏度是衡量应变片性能的重要指标之一。灵敏度反映了应变片电阻变化与其所承受应变之间的比例关系，通常用灵敏度系数（S）表示。灵敏度系数越高，应变片的响应速度越快，测量精度也越高。在实际应用中，根据不同的测量需求，可以选择具有不同灵敏度系数的应变片。

(2)线性度是衡量应变片在宽广应变范围内电阻变化与应变之间关系的指标。理想的应变片应具有线性响应特性，即电阻变化与应变成正比。然而，实际应变片在宽广应变范围内可能存在非线性误差。因此，评估应变片的线性度对于保证测量精度至关重要。通常，通过测量应变片在特定应变范围内的电阻变化，可以计算出其线性度。

(3)温度系数是衡量应变片电阻随温度变化而变化的指标。由于应变片在测量过程中可能会受到温度变化的影响，因此评估其温度系数对于确保测量结果的准确性具有重要意义。温度系数通常用每摄氏度电阻变化的百分比表示。理想情况下，应变片的温度系数应尽可能小，以减少温度变化对测量结果的影响。在实际应用中，可以通过选择具有较低温度系数的应变片或采取适当的补偿措施来降低温度误差。

3.分析金属箔式应变片在不同条件下的响应特性

(1)金属箔式应变片在不同条件下的响应特性是评估其性能的重要方面。首先，在静态应变条件下，应变片的响应特性主要表现为电阻值随应变的变化。这种变化通常遵循胡克定律，即电阻值的变化与应变成正比。然而，在实际应用中，应变片在静态条件下的响应可能受到材料特性、温度和粘贴质量等因素的影响。

(2)在动态应变条件下，应变片的响应特性将更加复杂。动态应变指的是应变片在短时间内经历快速变化的情况，如振动或冲击。在这种情况下，应变片的响应速度和滞后效应成为关键因素。应变片的响应速度决定了其能够捕捉到的应变变化频率，而滞后效应则可能影响测量结果的准确性。动态响应特性的评估通常通过快速应变试验进行。

(3)温度条件对金属箔式应变片的响应特性也有显著影响。温度变化不仅会影响应变片的电阻值，还可能改变其灵敏度系数和温度系数。在高温条件下，应变片的电阻值可能会下降，灵敏度系数可能增加，而温度系数可能发生变化。在低温条件下，这些参数可能会表现出相反的趋势。因此，评估应变片在不同温度条件下的响应特性，有助于确保其在实际工作环境中的稳定性和可靠性。

二、实验原理

1.金属箔式应变片的工作原理

(1)金属箔式应变片的工作原理基于应变片材料的电阻随其形变程度而变化的特性。这种应变片通常由一层很薄的金属箔制成，这种金属箔具有很高的电阻率。当应变片受到拉伸或压缩时，其长度和横截面积会发生变化，导致电阻值也随之改变。这种电阻的变化与应变之间存在一定的比例关系，这个比例关系被称为应