传感器检测技术实验报告

《传感器与检测技术》

实验报告

姓名：学号：

院系：仪器科学与工程学院专业：测控技术与仪器实验室：机械楼5楼同组人员：

评定成绩：审阅教师：

传感器第一次实验

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及单臂电桥工作原理和性能。

二、基本原理

电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。 金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压 1/4o U EK ε=，其中K 为应变灵敏系数，/L L ε=∆为电阻丝长度相对变化。

三、实验器材

主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

四、实验步骤

1. 根据接线示意图安装接线。

2. 放大器输出调零。

3. 电桥调零。

4.

应变片单臂电桥实验。

050

100150200

246810x

y

untitled fit 1y vs. x

由matlab 拟合结果得到，其相关系数为0.9998，拟合度很好，说明输出电压与应变计上的质量是线性关系，且实验结果比较准确。

系统灵敏度 (即直线斜率)，非线性误

差= =

五、思考题

单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。

答：（1）负（受压）应变片；因为应变片受压，所以应该选则（2）负（受压）应变片。

实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

了解全桥测量电路的优点

二、基本原理

全桥测量电路中，将受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1234R R R R ∆=∆=∆=∆时，其桥路输出电压3o U EK 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都得到了改善。

三、实验器材

主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

四、实验步骤

1.根据接线示意图安装接线。

2.放大器输出调零。

3.电桥调零。

4.应变片全桥实验

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

5 9 13 18 22 27 31 3

6 40 45 拟合值（mv ） 0.045 4.5

1 8.97 13.44 17.90 22.37 26.83 31.29 35.76 40.2

2 44.69 |△m x

| 0.045

0.49

0.03

0.44

0.10

0.37

0.17

0.29

0.24

0.22

0.31

50

100150200

10

20

3040

x

y 2

由matlab 拟合结果得到，其相关系数为0.9995，比上个实验中的单臂电桥线性度差，跟理论存在误差。

系统灵敏度

V/Kg (即直线斜率)，非线性误差δ=

=，

可见全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍可以看出，但非线性度却高于单臂电桥。

按照实验结果，对于灵敏度的测量时符合理论值的，但是非线性误差是有误的，分析其原因可能是测量过程中的仪器调节、读数误差、以及仪器本身存在的问题。我们在做实验的过程中，仪器存在一定问题，总是很难调节或者得到稳定的数据，不够精准。

五、思考题

1.测量中，当两组对边电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。

答：（2）不可以。因为电桥平衡的条件为：R1R3=R2R4。

2.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，如图2-8，能否如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图2-8 受拉力时应变式传感器圆周面展开图

答：能够利用它们组成电桥。

（a）图中4个应变片对称分布于测试棒上，检测试件横向拉力，如果已知试件泊松比则可知试件纵向应变。任意选取两个电阻接入电桥的对边，输出为两倍的横向应变，并选取外加电阻使电桥平衡；

（b）图中R3、R4应变片检测试件纵向拉力，R1、R2检测横向拉力，可以选取R3、R4接入电桥对边，输出为两倍的纵向应变。需要接入与应变片阻值相等的电阻组成电桥。

3.金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

基本原理如图2-9（a）、（b）、（c）。

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。

注意：比较实验中，（a）、（b）、（c）放大电路的放大器增益必须相同。

（a ）单臂 （b ）半桥 （c ）全桥

图2-9 应变电桥

① 单臂

U0 ＝ U1－U3

＝〔(R1＋△R1)/(R1＋△R1＋R2)－R4/(R3＋R4)〕E ＝〔（1＋△R1/R1）/（1＋△R1/R1＋R2/R2）－（R4/R3）/（1＋R4/R3）〕E 设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1/R1<<1。 U0≈(1/4)(△R1/R1)E

所以电桥的电压灵敏度：S ＝U0/(△R1/R1)≈kE ＝(1/4)E ② 半桥

U0≈(1/2)(△R1/R1)E S ＝(1/2)E ③ 全桥

U0≈(△R1/R1)E S ＝E

答：由以上可以看出，在灵敏度方面全桥的灵敏度最高，半桥次之，单臂最差，非线性度，单臂的非线性度最高即线性度最差，全桥的线性度最好 线性度：单臂>单桥>全桥 理论上： 灵敏度： 单臂 4E S = ，半桥 2E

S = ，全桥 S E =。 非线性度：单臂100%2K K ε

δε

=

⨯+，半桥 0δ=，全桥 0δ=。

如前所述，由于外界因素，导致我们的非线性误差的计算存在很大偏差，但是就根据理论分析来看，全桥利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。 全桥利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。

4、金属箔式应变片的温度影响

电阻应变片的温度影响主要有两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致而产生附加应变。当温度变化时，即使被测体受力状态不变，输出也会有变化。

① 按照全桥性能实验步骤，将200g 砝码放在砝码盘上，在数显表上读取数值Uo 1。

② 将主机箱中直流稳压电源＋5V 、地（⊥）接于实验模板的加热器＋6V 、地（⊥）插孔上，