(整理)传感器与检测技术实验指南Ⅱ

实验一 金属箔式电阻应变片性能
一、实验目的：
了解金属箔式电阻应变片的应变效应及各种的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变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：εK R R =∆/，式中R R /∆为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，l l /∆=ε为电阻丝长度相对变化，
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，通过它转换被测部位的受力状态变化，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U O14/εEK =。

半桥：不同受力方向的两片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。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压Uo 2=2/εEK 。

全桥：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R 1= R 2= R 3= R 4，其变化值ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4时，其桥路输出电压U o3=εKE 。

三、需用器件与单元：
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V 电源、±4V 电源。

四、实验步骤：
1、放大器调零。

接入实验模块电源（±15V 、地，从主控箱引入），将增益电位器RW3调节到中间位置，将放大器的输入端（IC1、IC2的“+
”端）与地短接，输
图1-1 应变式传感器安装示意图
出端（VO2）与主控箱面板上的电压表输入端Vi相连，调节实验模块上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档），调零完毕拆除放大器输入端与地短接线。

2、单臂电桥。

关闭电源，按图1-2所示连接单臂电桥（图中电桥输出VO接入放大器输入端），检查接线无误后，合上主控箱电源开关，放上空的砝码托盘，调节RW1，使电压表（2V档）显示为零。

3、在托盘上放置一只砝码，读取数显表数值；依次增加砝码（20g）和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。

记录实验数据后，关闭电源。

（注意：由于各组实验者接线方式不同，电压读数可能有正有负，在后续记录数据时，电压全部记为正值）
图1-2 单臂电桥接线原理图图1-3 全桥接线原理图
表1-1 单臂电桥输出电压与加负载重量值
4、半桥。

保持RW3不变，将图1-2中电阻R5换成与R1受力状态相反的应变片（如R2），即将传感器中两片受力相反（一片受拉力、一片受压力）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，重复实验步骤3，记录实验数据后，关闭电源。

表1-2 半桥输出电压与加负载重量值
5、全桥。

保持RW3不变，按图1-3所示连接全桥电路（注意电桥对边两应变片受力性质应相同），调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，重复实验步骤3，记录实验数据后，关闭电源。

表1-3 全桥输出电压与加负载重量值
6、直流全桥的应用——电子秤：
（1）、基本原理：电子秤实验原理为全桥测量原理，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 ）即成为一台原始电子秤。

（2）步骤：
● 保持全桥接线不变。

● 调节电位器Rw 3，使得每增加一个砝码（20g ）数显表显示电压绝对值增加
0.020V （2V 档测量）。

●
拿去托盘上的所有砝码，调节电桥平衡电位器Rw 1，使数显表显示0.000V 。

● 把砝码依次放在托盘上，读取电压值，记入下表： ● 实验中可重复上述的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲改为重量量纲，
就可称重，成为一台原始的电子秤。

五、实验报告
1、在同一坐标上描出三种电路测得的重量－电压曲线，计算系统灵敏度SS=W u ∆∆/（u ∆输出电压变化量；W ∆重量变化量），计算线性误差δf1=y m /∆ F •S ×
100%，式中m ∆为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，y F •S
为满量程输出平均值，此处为200g 。

2、比较三种电路的灵敏度（灵敏度S=W u ∆∆/），得出相应的结论。

3、回答思考题。

4、其它内容按实验报告规范内容填写。

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。

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、全桥测量中，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？说明理由。

实验二电涡流传感器性能
一、实验目的：
1、了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

3、了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。

二、基本原理：
通以高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状、大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。

三、需用器件与单元：
电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、电压表、测微头、铁圆片、铜圆片、铝圆片、铝圆柱体。

四、实验步骤：
1、接入实验模块电源（+15V、地，从主控箱引入），实验模块输出端（VO）与
主控箱面板上的电压表输入端Vi 相连，电压表量程切换开关选择电压20V 档。

2、根据图2-1安装螺旋测微仪，在螺旋测微仪端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

3、推动螺旋测微仪使被测体与传感器端部接触（距离为0），固定螺旋测微仪。

开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后旋转测微头使被测体与传感器距离逐渐增大，距离每增加0.25mm 读一个数，直到3mm 。

将结果记入表2-1。

表2-1 被测体为铁圆片时的位移与输出电压数据
接主控箱电压
表
地 V o
接主控箱电源输出
图2-2 电涡流传感器位移实验接线图
+15V
4、将原铁圆片分别换成铜圆片、铝圆片、铝圆柱体，重复实验步骤3，进行被测体为铜圆片、铝圆片和铝圆柱体时的位移特性测试，分别记入表2-2表2-3和表2-4。

表2-2 被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
表2-3 被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
表2-4 被测体为铝圆柱体时的位移与输出电压数据
五、实验报告：
1、根据表2-1、2-
2、2-3在同一坐标上画出V-X曲线，比较各材质的线性范围，计算在量程为1mm、3mm时的灵敏度，并进行小结。

2、根据表2-
3、2-4数据计算目前范围内两种被测体（铝圆片、铝圆柱体）的灵敏度，并对比较结果加以说明。

3、回答思考题。

4、其它内容按实验报告规范内容填写。

六、思考题：
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关？
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据使用量程选用传感器？。