传感器实验指导书 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-传感器与检测技术实验指导教师：陈劲松实验一 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，单臂电桥工作原理和性能。
二、 基本原理：金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。
金属的电阻表达式为： SlR ρ= （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长l ∆，横截面积相应减小S ∆，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变ρ∆，故引起电阻值变化R ∆。
对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：ρρ∆+∆-∆=∆S S l l R R （2） 式中的l l ∆为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位με（1με=1×mm mm610-）。
若径向应变为rr ∆，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比μ表示为）（l l r r ∆-=∆μ，因为S S ∆=2（r r ∆），则（2）式可以写成：llk l l l l l l R R ∆=∆∆∆++=∆++∆=∆02121）（）（ρρμρρμ （3） 式（3）为“应变效应”的表达式。
0k 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k 受两个因素影响，一个是（1+μ2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是）（ρερ∆，是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。
对于金属材料而言，以前者为主，则μ210+≈k ，对半导体，0k 值主要是由电阻率相对变化所决定。
实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。
通常金属丝的灵敏系数0k =2左右。
用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。
在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。
通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系εσE = （4）式中 σ——测试的应力； E ——材料弹性模量。
可以测得应力值σ。
通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。
电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V 电源、±5V 电源、万用表（自备）。
四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。
R1R2R3R4图1－1 应变式传感器安装示意图2、接入模板电源±15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi 相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V 档）。
关闭主控箱电源。
（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。
）3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）如图1-2所示。
检查接线无误后，合上主控箱电源开关。
调节Rw1，使数显表显示为零。
4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。
记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g) 正行程I0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)重量(g) 反行程I0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)重量(g) 正行程II0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)重量(g) 反行0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2005、根据表1－1计算系统灵敏度、非线性误差(端基法或最小二乘法)、迟滞误差和重复性误差。
五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。
六、思考题：1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。
2、从理论上分析产生非线性误差的原因。
实验二金属箔式应变片-全桥性能实验及电子秤实验一、实验目的：了解全桥测量电路的原理及优点。
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理：半桥测量电路中，把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。
全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。
电子秤实验原理为利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。
三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤：(一)、半桥性能实验1、接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。
关闭主控箱电源。
2、根据图2-1接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。
接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1。
若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。
则应更换应变片。
图2-1 应变式传感器半桥实验接线图表2－1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g) 正行程0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)重量(g) 反行程0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)(二)、全桥性能实验根据图2-2接线，实验方法与实验一相同，注意保持RW2的位置不动。
将实验结果填入表2-2；进行灵敏度和非线性误差计算。
表2－2全桥输出电压与加负载重量值重量(g) 正行程0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)重量(g) 反行程0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)图2-2 应变式传感器全桥实验接线图(三)电子秤实验利用全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。
1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图2-2全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示（2V档）。
2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2（增益即满量程调节）使数显表显示为或—。
3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使数显表显示为。
4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上，填入下表2-3。
表2－3电桥输出电压与加负载重量值重量(g) 正行程0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200电压(mv)重量(g) 反行程0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。
六、思考题：1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图2-3 应变式传感器受拉时传感器周面展开图七、实验报告要求：1、根据所记录的数据绘制出传感器的特性曲线。
2、计算并比较半桥、全桥输出时的灵敏度、非线性度和迟滞误差，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。
3、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。
实验三 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。
一、基本原理：利用平板电容C ＝εS ／d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S 、d 中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d ）和测量液位（变S ）等多种电容传感器。
变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。
）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C 在忽略边缘效应时为：()12ln 2r r lC πε=（1） 式中 l ——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 12r r 、——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动l ∆时，电容变化量C ∆为()()()()llC l l l l C r r r r r r ∆=∆=∆--=∆0121212ln 2ln 2ln 2πεπεπε （2） 于是，可得其静态灵敏度为：()()()()()121212ln 4/ln 2ln 2r r r r r r g l l l l l l C k πεπεπε=∆⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆--∆+=∆∆= （3）可见灵敏度与，12r r 有关，12r r 与越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度l 与灵敏度无关，但l 不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。