传感器实验指导书修订稿

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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： S

l

R 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：

ρ

ρ

∆+∆-∆=∆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 mm

610-）。若径向应变为r

r ∆，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：

l

l

k 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、R

2、R

3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

R1

R2

R3

R4

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I

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)

重量(g) 反行

程I

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)

重量(g) 正行

程II

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压(mv)

重量(g) 反行0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

5、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