应变片单臂电桥性能实验

实验一 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、基本原理：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内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则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εL; dr/r为导体的横向应变量εr

由材料力学得： εL= -

μεr (1—3)

4）

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

（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。 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、箔式应变片的基本结构

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

（a）、单臂 Uo＝U①－U③

＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。 则Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE (b)、双臂(半桥)

同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE

(C)、全桥

同理:Uo≈(△R／R)E＝KεE 6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1—3 应变片单臂电桥性能实验原理图

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片； RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。桥路输出电压Uo≈(1／4)(△R4／R4)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)KεE 。差动放大器输出为Vo。

三、需用器件与单元：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； 412位数显万用表（自备）。

四、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、应变片测量电路、差动放大器组成。实验模板中的R1(传感器的左下)、R2(传感器的右下)、R3(传感器的右上)、R4(传感器的左上)为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；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的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。

1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。

图1—4 传感器托盘安装示意图

2、测量应变片的阻值：当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4 的阻值。在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析

应变片的受力情况（受拉的应变片：阻值变大，受压的应变片：阻值变小。）。

图1—5测量应变片的阻值示意图

3、实验模板中的差动放大器调零：按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换 开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置(先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈)后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

图1—6差动放在器调零接线示意图

表1 应变片单臂电桥性能实验数据 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 电压(mV) 0 0.2 -4.4 -9.1 -13.8 -18.6 -23.5 -23.7 -28 5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS ×100％式中Δm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，关闭电源。

一、数据分析：

1.根据实验数据，通过计算，得到了相关数据和画出了最小二乘拟合曲线 2.计算灵敏度S=△U/△W △U=-5.3mv △W=20g ∴S=-0.192

δ=△m/yFs×100%=2.063/-28×100%=7.36%

3.问题与讨论：分析实验的不足之处以及如何改进，回答实验手册文档上的思考题

1. 在实验中，调零可能会有误差

2. 称量时，会有人为的因素在里面，会导致误差

实验二 应变片半桥性能实验

一、实验目的：了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。掌握测量方法。 二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。

不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。其桥路输出电压Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)KεE 。

图2—1 应变片半桥特性实验原理图

三、需用器件与单元：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。

四、实验步骤：

1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。

2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。读取相应的数显表电压值，填入表2中。

图2—2 应变片半桥实验接线示意图

表2 应变片半桥实验数据 重量(g) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 电压(mV) -0.3 8.9 0.1 9.2 19.0 25.8 36.3 44.8 54.7 .9 75.5 85.5 19.3 25.1 36.6 45.2 56.0 65.3 76.5 85.7 3、根据表2实验数据作出实验曲线。实验完毕，关闭电源。

五、思考题：

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： 答：在临边。因为在临边时,中点的电位变化的才能和另外的参考点

进行比较,如果不在临边,也就会出现当两个应变片都发生变化时,与他们对应电阻的电位差可能会出现0的情况.

实验三 应变片全桥性能实验

一、实验目的：了解应变片全桥工作特点及性能。

二、基本原理：应变片基本原理参阅实验一。应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。

应变片全桥测量电路中，将应力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。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Uo≈(△R／R)E＝KεE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。

图3—1应变片全桥特性实验接线示意图

三、需用器件和单元：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。

四、实验步骤：

实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。实验完毕，关闭电源。

图3—2 应变片全桥性能实验接线示意图

表3全桥性能实验数据

根据表3实验数据作出实验曲线。

五、思考题：

测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

答：可以的.当两对边电阻相等时,电桥平衡. 实验五 应变片直流全桥的应用—电子秤实验

一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。

二、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电子秤

实验原理如图5—1。本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定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）即成为一台原始电子秤。

图5—1 数字电子称原理框图

三、需用器件与单元：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。

四、实验步骤：

1、按实验一中的1和3步骤实验。

2、关闭主机箱电源，按图3—2 （应变片全桥性能实验接线示意图）示意接线，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，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；

3、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为0.200V(2V档测量)。

4、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为0.000V。 5、重复3、4步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，将砝码依次放在托盘上称重；放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。

五、实验数据

六、实验分析

1．根据实验数据，绘制传感器的特性曲线。

2．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。

答：环境因素和实验器材的校正不准会导致非线性误差增大。通过多次校正，调节变位器可消除或减少误差。若要增加输出灵敏度可增加相形放大电路

实验九 压阻式压力传感器压力实验

一、实验目的

了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。 二、实验仪器

压力传感器、气室、气压表、差动放大器、电压放大器、电压温度频率表 三、实验原理

在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，可以制备各种压力传感器。摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器，如图7-1所示，在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

扩散硅压力传感器的工作原理如图7-1，在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时（本实验采用改变气室内的压强的方法改变剪切力的大小），在垂直于电流方向将会产生电场变化Ei，该电场的变化引起电位变化，则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo。

UOdEdi （7-1） 式中d为元件两端距离。

实验接线图如图7-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1图7-1 扩散硅压力传感器原理图 图7-2 扩散硅压力传感器接线图

四、实验内容与步骤

1． 按图7-2接好“差动放大器”与“电压放大器”，“电压放大器”输出端接电压温度频率表（选择U，20V档），打开直流电源开关。（将“2~20V直流稳压电源”输出调为5V）

2． 调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到中间位置并保持不动，用导线将“差动放大器”的输入端短接，然后调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。

3． 取下短路导线，并按图7-2连接“压力传感器”。

4． 气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后，使气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。增大输入压力到0.005MPa，每隔0.005Mpa记下“电压放大器”输出的电压值U。直到压强达到0.1Mpa；填入下表。 表7-1 P 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 U（V） -0.43 -0.56 -0.66 -0.75 -0.85 -0.90 -1.02 -1.07 -1.18 -1.26 P 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 U（V） -1.32 -1.39 -1.47 -1.53 -1.56 -1.66 -1.73 -1.75 -1.84 -1.90 5． 实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。 五、实验报告

根据实验所得数据，计算压力传感器输入—输出（P—U）曲线，并计算其线性度。

实验十一、差动变压器性能试验

一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性

二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈 及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化。

三、需用器件与单元：主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器；差动变压器、差

动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。四、实验步骤：1、将差动变压器和

测微头安装在实验模板的支座上。

2、接线，如图所示

3、松开测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使得示波器的第二通道显示的波形Vp-p为较小值，拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值（零点残余电压）并定为位移的相对零点。 4.将实验数据记录在表中，根据实验数据画出Vp-p——X曲线，做出位移为±1mm、±3mm的灵敏度和非线性误差

五、实验数据： X（mm） 0.1 V（mv） 258 X（mm） 2.1 V（mv） 104 0.3 235 2.3 90 0.5 223 2.5 83 0.7 205 2.7 71 0.9 196 2.9 67 1.1 168 1.3 163 1.5 150 1.7 136 1.9 124 六、数据分析：1.由实验数据得到Vp-p——X曲线

2.灵敏度S= -66.044mv/mm

当X=±1mm时

（1） X=1时，y=-66+252=186mv （2） X=-1时，y=66+252=318mv 当x=±3mm时

（1） x=3mm时，y=-198+256=54mv （2） x=-3mm时y=198+256=450mv 六、问题与讨论：

用直流电压会损坏传感器吗？为什么？

答：会的。只要是电感都不能随便接到直流电压上的

实验十六、 电容式传感器位移特性实验

一、实验目的

了解电容传感器的结构及特点。 二、实验仪器

电容传感器、电容变换器、测微头、电压温度频率表 三、实验原理

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理：

S0rS （9-1） Cdd式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图9-1，两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。

图9-1电容传感器内部结构示意图

四、实验内容与步骤

1． 电容传感器已经按图9-2安装在实验台。

图9-2 电容传感器安装示意图 图9-3 电容传感器接线图

2． 将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连，“电容变换器”的输出接到电压温度频率表（选择U）。（注：此处应选用三根相同长度的实验导线，而且越短越好。）

3． 打开“直流电源”开关。调节“电容变换器”的增益调节电位器到中间位置，调节

螺旋测微器使得电压温度频率表显示为0。（增益调节电位器确定后不能改动）

4． 调节螺旋测微器推进电容传感器的中间极板（内极板）上下移动，每隔0.2mm将位移值与电压温度频率表的读数填入表9-1。 表9-1 X(mm) U (V) 五、实验报告

1.根据表9-1的数据作做出电压—位移曲线。

2.试分析电容传感器转接电容变换器的导线为什么要长度一致。

因为导线之间也形成电容，长度不相同后，检测到的电容就不能确定是要检测点的电容。

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -39 -28 -19 -9 0 0 0.2 8 0.4 18 0.6 28 0.8 39 实验二十 磁电式传感器测转速实验

一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。

二、基本原理：磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器，也称为电动式传感器或感应式传感器。根据电磁感应定律，一个匝数为Ｎ的线圈在磁场中切割磁力线时，穿过线圈的磁通量发生变化，线圈两端就会产生出感应电势，线圈中感应电

d势： dt。线圈感应电势的大小在线圈匝数一定的情况下与穿过该线圈的磁通变化

eN率成正比。当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已定)后，使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种：一种是让线圈和磁力线作相对运动，即利用线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势；另一种则是把线圈和磁钢部固定，靠衔铁运动来改变磁路中的磁阻，从而改变通过线圈的磁通。因此，磁电式传感器可分成两大类型：动磁式及可动衔铁式(即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器，实验原理框图如图20—1所示。当转动盘上嵌入6个磁钢时，转动盘每转一周磁电传感器感应电势e产生6次的变化，感应电势e通过放大、整形由频率表显示ｆ，转速n=10f。

图20—1磁电传感器测转速实验原理框图

三、需用器件与单元：主机箱中的转速调节0～24V直流稳压电源、电压表、频频\\转速

表；磁电式传感器、转动源。

四、实验步骤：

磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外(传感器探头中心与转盘磁钢对准)，其它完全与实验十九相同；请按图20—2示意安装、接线并按照实验十九中的实验步骤做实验。实验完毕，关闭电源。

图20—2 磁电转速传感器测速实验安装、接线示意图

实验数据作出实验曲线