实验一电阻应变片传感器特性实验

实验一、二 电阻应变片传感器特性实验

一、 实验目的：

1．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。 2．比较半桥，全桥测量电路与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。 二、 基本原理：

敏感元件—金属箔在外力作用下，其电阻值会发生变化。即金属的电阻应变效应。根据推导可以得出：

l l

k l l l l l l R R ∆=∆∆∆++=∆++∆=∆02121）（）（ρρμρρμ

“应变效应”的表达式。k 0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k 0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，0

k 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k 0=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。

单臂电桥：即应变片电阻接入电桥的一臂，测出其电阻变化值，结构比较简单，但是灵敏度较差；

半桥：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 ε／2。式中E 为电桥供电电压。

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U 03＝KE ε。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

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。 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、R

2、R

3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

R1

R2

R3R4

图1－1 应变式传感器安装示意图 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

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。 表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

5．根据表1－1计算系统灵敏度W U S ∆∆=/（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.

6．根据图1-3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，计算灵敏度W U S ∆∆=/2，非线性误差2f δ

。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1-3 应变式传感器半桥实验接线图 图1-4 应变式传感器全桥实验接线图

表1－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

7．根据1-4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。 表1－3全桥输出电压与加负载重量值

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。

2、 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。

3、 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。

4．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。

5、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1-4 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、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。

3．根据所记录的数据绘制出半桥和全桥时传感器的特性曲线

4．比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。

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 l C 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

()()()()l

l C l l l l C r r r r r r ∆=∆=∆--=

∆0

121212ln 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）