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实验一应变式传感器

一、应变片单臂电桥性能实验

〔一〕、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

〔二〕、根本原理：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那么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 ε

L

; dr/r 为导体的横向应变量 ε

r



由材料力学得： ε

L

=-με

r

(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

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〔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表达为

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片，贴片式半导体应变片〔温漂、稳

定性、线性度不好而且易损坏〕很少应用。一般半导体应变采用 N 型单晶硅为传感器的弹

性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜〔扩散出敏感栅〕，制成扩散型压

阻式〔压阻效应〕传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、箔式应变片的根本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为 0.025mm

左右

的金属丝或金属箔制成，如图 1—1 所示。

(a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片

图 1—1 应变片结构图

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，与丝式应变片工作

原理一样。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，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。5、测量电路为了将电阻应变式传

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