实验一 金属箔式与半导体式应变计的性能测试一．实验目的：１．观察了解箔式应变片和半导体应变片的结构及粘贴方式。

２．验证单臂、半桥、全桥的性能，比较各桥路间的输出关系。

３．说明实际使用的应变电桥的性能和原理。

４．了解温度对测试系统的影响，说明箔式应变片和半导体应变计的灵敏度和温度效应。

５．通过实验对两种应变电路的特性有充分的了解。

二．实验所需部件：直流稳压电源、应变式传感器实验模块、金属箔式应变计及温度补偿片、半导体式应变计、砝码、数字电压／频率表、应变加热（位于主机面板的温控单元下面）。

三．实验原理：1. 箔式应变片性能——单臂电桥本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。

应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1/ R1、△R2/ R2、△R3/ R3、△R4/ R4 ，当使用一个应变片时，∑=RRR ∆；当二个应变片组成差动状态工作，则有∑=RRR ∆2；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R ，∑=RRR ∆4。

2. 箔式应变片三种桥路性能比较已知单臂、半桥和全桥电路的∑R 分别为△R/ R 、△2R/ R 、4△R/ R 。

根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于41·E ·∑·∑R ，电桥灵敏度Ku=V/△R/R ，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E 、1/2E 和E 。

由此可知，当E 和电阻相对变化一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关３．金属箔式应变计的温度效应温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同。

由此引起测试系统输出电压发生变化。

用补偿片法是应变电桥温度补偿方法中的一种，如图（1）所示。

在电桥中，R1为工作片，R2为补偿片，R1＝R2。

当温度变化时两应变片的电阻变化△R1与△R2符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变化后R1*R4＝R2*R3，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作片成90°，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。

图（1） 图（2） ４．半导体应变片性能由于材料的阻值s l R ρ=，则)21(ρρμρρ++=-+=ldl d s ds l dl d R dR , 当应变ll∆=∑，灵敏度∑++=∑=ρρ∆μ∆/)21(/RR K ; 对于箔式应变片，K 箔≈1＋2μ，主要是由形变引起。

对于半导体应变计，K 半≈（△ρ/ρ）/∑,主要由电阻率变化引起。

由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，可以反映出很微小的形变，所以K 半要大于K 箔，但是受温度影响大。

半导体应变计主要是根据硅半导体材料的压阻效应制成，当半导体晶体受到作用力时，晶体除产生应变外，电阻率也会发生变化。

与金属应变片相比，半导体应变计灵敏系数很高，可达100～200，但是在稳定性及重复性方面都不如金属箔式片。

实际使用时都是采用全桥工作形式以达到相对稳定。

四．实验步骤：图（3）１．首先差放调零，连接主机与应变式传感器实验模块之间的电源，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线对地短路。

输出端接数字电压表2V档。

开启主机电源，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后关闭主机电源，拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。

２．观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图（3）将所需实验部件连接成单臂电桥，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。

３．确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。

调节模块电桥上的WD电位器，使系统输出为零。

４．在双孔悬臂梁称重平台上依次放上砝码，每个砝码的重量为20g，每放一个砝码，记录一个输出电压值，并记入下表（1）：表（1）图（4）图（5）５．按图（4）将图（3）中的固定电阻R1换接金属箔式应变计组成半桥电路，按图（5）将图（3）中的固定电阻R2 、R3，换接金属箔式应变计组成全桥电路。

６．重复3-4步骤，完成半桥系统与全桥系统测试实验，数据记入表（1）。

记录重量——电压值，并填入下表。

表（2）７．关掉电源，拆掉连线，按图（3）接成单臂应变电桥，再开启主机电源，调节“WD”电位器，使系统输出为零。

８．开启“应变加热”电源，观察系统输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（加热器加热温度约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出大致的温飘△V/△T，然后关闭加热电源，待其冷却。

９．按图（3）将电桥中的固定电阻R1换成一片与应变片在同一应变梁上的补偿应变片，重新调整“WD”电位器，使系统输出为零。

10．开启“应变加热”电源，观察经过补偿的电桥输出电压的变化情况，求出温飘，然后与未进行补偿时的电路进行比较。

图（６）11. 关掉电源，拆掉连线。

按图（6）接线，R是半导体应变计，直流激励输出电压为2V，以免因为电压过高引起半导体应变计自热。

12. 连接主机与模块的电源并开启，调节电桥WD电位器，使系统输出为零，此时差动放大器增益可置最大电压表可先置20V档。

13. 按单臂电桥实验步骤，调节电桥中的ＷＤ电位器使系统输出为零，逐一加上砝码，记录重量-电压值，求出灵敏度，记入表（3）。

表（3）图（８）14．按图（8）接入二片半导体应变片和二个固定电阻，组成应变半桥。

15．激励电压接2V，打开主机电源，调节电桥中WD电位器使系统输出为零。

16．按步骤13进行操作，数据记录在表（4），计算出灵敏度。

表（4）五．注意事项：１．进行上述实验时激励电压，差动放大器增益等实验条件必须一致，否则就无可比较性。

２．做单臂电桥实验时，由于应变片的零飘和蠕变现象的客观存在，桥路中的三个精密电阻与应变片的零飘值一致的可能性很小，如果没有采用补偿的话，单臂电桥测试电路必然会出现输出电压漂移现象，这是真实地反映了应变片的特性，但是只要采用了半桥或全桥测试电路，系统就会非常稳定，这是因为同一批次的应变片的飘移和蠕变特性相近，接成半桥和全桥形式后根据桥路的加减特性就起到了非常好的补偿作用，这也是应变片在实际应用中无一例外地采用全桥（或半桥）测试电路的原因。

３．箔式应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相反，如接反则电路无输出或输出很小。

４．半导体应变计加热后温飘是非常大的，即使是加热到了相对的热平衡，但只要温度不是绝对稳定，电桥输出往往还是不能稳定，这不是仪器的毛病。

５．由于半导体应变计非常灵敏，当环境温度有微小变化时都会引起电桥不平衡，电路输出电压变化。

随着加热温度的改变，半导体单臂电桥系统输出电压要有一个相当长的时间才能基本稳定。

实验二变电抗式传感器一．实验目的：１．了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。

２．通过实验说明不同的涡流感应材料对电涡流传感器特性的影响。

３．掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。

二．实验原理：１．电涡流式传感器的静态标定电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。

当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。

将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。

２．被测材料对电涡流式传感器特性的影响线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。

而电涡流效应既与被测体的电阻率ρ、磁导率μ以及几何形状有关，又与线圈几何参数、线圈中激磁电流率有关，还与线圈与导体间的距离ｘ有关。

因此，传感器线圈受电涡流影响时的等效阻抗Ｚ的函数关系为：Z=F(ρ,μ,r,f,x)式中，ｒ为线圈与被测体的几何因子。

３．电容式传感器特性电容式传感器有多种形式，本仪器中是差动平行变面积式。

传感器由两组定片和一组动片组成。

当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的相对面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。

如将上层定片与动片形成的电容定为C X1，下层定片与动片形成的电容定为C X2，当将C X1和C X2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。

三．实验所需部件：电涡流式传感器、三种金属涡流片、电涡流变换器、螺旋测微仪、示波器、数字电压/频率表、电容式传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器、低频振荡器。

四．实验步骤：图（9）１．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行（必要时可稍许调整探头角度），安装好螺旋测微仪，如图（9）将电涡流线圈的上端对应接入涡流变换器输入端，涡流变换器输出端接电压表20V档。

２．开启仪器电源，调节测微头位移将电涡流线圈与金属涡流片分开一定距离，此时输出端有一电压值输出，用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。

３．用螺旋测微仪带动振动圆盘使电涡流线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零，涡流变换器中的振荡电路停振。

４．旋动螺旋测微仪使电涡流线圈离开金属涡流片，从电压表开始有读数起每位移0.25mm记录一个读数，并用示波器观察变换器的高频振荡波形，将V—X数据填入下表（5），作出V－X曲线，指出线性范围，求出灵敏度。

表（5）５．分别对铁、铜、铝被测体进行测量，记录数据在表（6），在同一坐标直作出V－X曲线。

６．分别找出各被测体的线性范围、灵敏度，并进行比较。

７．从实验得出结论：被测材料不同时灵敏度与线性范围都不同，必须分别进行标定。

表（6）图（10）８．按图（10）接线，电容变换器和差动放大器的增益适度。

９．装上螺旋测微仪，带动振动圆盘移动，使电容动片位于两静片中间位置，调节差动放大器“调零”旋钮使差动放大器输出为零。

10．以此为起点，旋动螺旋测微仪向上和向下移动，直至动片与一组静片全部重合为止。

记录数据在表（7），并作出V—X曲线，求得灵敏度。

11．低频振荡器输出接“激振I”端，移开螺旋测微仪，适当调节低频振荡器频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。