传感器各个实验

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：

l （1） S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??，故引起电阻值变化?R。对式（1）全微分，并用

R??相对变化量来表示，则有：

?R?l?S????? （2） RlS?式中的?ll为电阻丝的轴向应变，用

?表示，常用单位???6（1??=1×10mmmm）。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?表示为?r???（?l），因为?S=2（?r），则（2）式可以写成： rlSr?R?l??????l?l （3） ?（1?2?）??（1?2??）?k0Rl??llll受两个因素影响，一个是（1+2?），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是??式（3）为“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0，

是材料的电阻率?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k0?1?2?，对半导体，k0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k0=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?，而根据应力应变关系

（??）??E? （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。

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三、需用器件与单元

传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、±15V电源、±5V电源，传感器调理电路挂件。 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。

R4R3R1R2图1-1 应变式传感器安装示意图

2．接入模板电源±15V（从面板上引入），检查无误后，合上主控台电源开关，调节Rw3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，输出端与主控台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Rw4，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控台电源。（注意：当Rw3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，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。

表1-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量(g)

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电压(mv) 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

5． 根据表1-1计算系统灵敏度S??U/?W（?U输出电压的变化量，?W重量

变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS ×100％ 式中?m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g。

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。

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实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的

1．了解半桥的工作原理。

2．比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 二、基本原理

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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EG?/2。 式中E为电桥供电电压。 三、需用器件与单元

传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件中应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。 四、实验内容与步骤

1．接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，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Rw4，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

图2-1 应变式传感器半桥实验接线图

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，计算灵敏度S2??U/?W，非线性误差?f2。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。

表2-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量（g） 电压（mV） 4

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．半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。

2．桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。 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．分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。

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