实验一 应变传感器的性能研究
一、实验类型：验证性实验。

二、实验目的
1. 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；
2. 测试应变梁变形的应变输出；
3. 验证单臂、半桥、全桥测量电桥的输出关系，比较不同桥路的功能。

三、实验内容
1. 设计并实现应变传感器的测试桥路；
2. 测量单臂、半桥、全桥测量电桥的输出，记录数据、绘制关系曲线，并分析。

四、实验原理
1. 本实验说明箔式应变片及单臂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，当测件受力发生形变，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ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/ R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时，∑∆=
R
R
R ；当二个应变片组成差动状态工作，则有
2R
R R
∆=
∑；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2 = R3 = R4 = R ，4R
R R
∆=
∑。

由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。

2. 已知单臂、半桥和全桥的
R ∑分别为ΔR/R 、2ΔR/R 、4ΔR/ R 。

根据戴维南定理可以
得出测试电桥的输出电压近似等于1/4E R ⋅⋅∑，电桥灵敏度//Ku V R R =∆，于是对应
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，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

五、实验要求
1. 熟悉CSY 系统传感器实验系统；
2. 能自行设计实现应变式传感器的测量桥路；
3. 掌握应变式传感器的各种测量电路的性能。

六、实验仪器设备
主机箱中的±2V~±10V(步进可调)直流稳压电源、±15V 直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

七、预习要求
实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验。

八、实验步骤
应变传感器实验模板说明：应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变测量电路、差动放大器祖成。

实验板中R1、R2、R3、R4为称重传感器应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。

加热器+5V是传感器上的加热器电源输入口，做应变片温度影响实验时用。

多心插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动试验时用。

1.将托盘安装到传感器上，如1-1图所示。

图1-1 传感器托盘安装示意图
2. 设定旋钮的初始位置：直流稳压电源打到±2V档，电压表打到2V档，差动放大器增益打到最大（顺时针轻轻转到底）。

3. 差动放大器调零：用实验线将差放的正负输入端与地端连接在一起，然后将电源端与直流稳压电源±15V连接起来，最后将输出端接到电压表的输入插口。

检查接线无误后合上主机箱的电源开关，调节放大器的增益电位器RW3到合适位置（逆时针回转一圈）后，在调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零之后，关闭主机箱电源。

（注意：RW3、RW4位置一旦确定就不能改变，直到做完实验为止）
4. 应变片单臂电桥实验：按照图1-1的单臂电桥实验原理接好线。

图1-2应变片单臂电桥性能实验接线示意图
5. 将±2V~±10V可调电源调节到±4V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验木板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码（尽量靠近托盘的中心点放置），读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入下表后，关闭主机箱电源。

6. 应变片半桥性能实验：如图1-3连接半桥电路，重复步骤5。

图1-3 应变片半桥特性实验接线示意图
表1-2 应变片半桥特性实验数据
7. 应变片全桥性能实验：如图1-4连接全桥电路，重复步骤5。

图1-4 应变片全桥性能实验接线示意图
表1-3 应变片全桥特性实验数据
8. 根据表1-1、1-2和1-3的数据作出曲线并计算系统的灵敏度V
S W
∆=
∆ （W ∆是重量变化量，V ∆是电压变化量）和非线性误差/100%m yFS δ=∆⨯ ，式中m ∆为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS 满量程输出平均值，此处为200g 。

实验完毕，整理好实验台。

九、实验报告要求
1. 按表格要求记录实验数据，并进行数据处理，绘制关系曲线。

2. 根据实验数据处理结果和关系曲线，对传感器的性能进行分析。

十、思考题
1. 根据实际测试的数据与理论上推导的公式相比较，结论如何？
2. 对桥路测量线路有何特别的要求？为什么？
注意事项：
1. 在更换应变片时应将电源关闭，以免损坏应变片。

2. 在实验过程中如果发现电压表发生过载，应将量程扩大或将差放增益减小。

3. 直流稳压电源不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。

4. 接全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向，保证R1与R3工作状态相同，R2与R4工作状态相同。

5. 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。