传感器试验

实验器综合传感前提：电阻应变式传感器

电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。

一．实验目的

（1）加深对应力和应变概念的理解;

（2）了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况;

(3)验证单臂，半桥，全桥的性能及相互之间关系；

（4）了解温度对应变测试系统的影响；

（5）了解传感器（电阻应变片）在检测中的应用。

二．实验仪器：

直流稳压电源，15V不可调直流稳电源，差动放大器，电桥，F/V表，测微头，双平行梁，双孔悬臂梁称重传感器，应变片，砝码，加热器，水银温度计（自备），主，副电源。

三．实验原理

要测量模拟金属梁的应力，首先引入描述物体变形的物理量“应变”。设模拟金属梁原长为l的一段，在变形时发生“伸长”或“缩短”量为，则应变为

应变的大小，即与外力F的大小及应用位置有关，也与材料本身的弹性有关。根据胡克定律，

由上式可知，应变最大处，应力也最大。但应力是内力，无法直接测量，应先测量应变后换算出应力。而应变又可用电阻应变片将转换成易于放大的电压、电流或功率的变化进行测量。

因此，应力就可以测出。

（1）模拟金属梁的设置

如图，它是用长150毫米、宽17毫米的钢尺做成，其上下表面各贴有3片电阻应变片。上表面的应变片受力，下表面的应变片受压。拉区电阻值增大，压区电阻值变小。

（2）电阻应变片的结构

如图，它是用直径约为0.025毫米的具有高电阻率的金属丝组成。

由金属电阻应变片的应变效应可得到

其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。．

（3）测量电路——比较式电桥测量电路

粘贴在钢尺的电阻应变片，能将力学量应变变化转换成电阻变化。但这个电阻变化值很小，不易测量。为此，必须设法将应变片接在特定的应变测量线路中，将

电阻改变值转换成放大的电信号，便于观察和记录。

应变片有“温度电阻效应”的影响，应用“双应变片”有效这影响。

（4）放大器原理

本实验采用的是差动式放大器，放大量约为100倍。输入信号U被R1分压，使BG1输入为1/2U，BG2输入为-1/2U。由于二者输入信号相位相反，形成差分输入，U出=U出1+U出2。本实验由于晶体管线路是对称的，即使温度变化和电源波动，影响不大。但为了得到更高的稳定性，须采用恒流电源。

（四）实验内容

（1）单臂电桥金属箔式应变片性能测试

直流稳压电源打到±2V挡，F/V打到2V挡，差动放大增益最大

1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置

2)将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正、负、地短接。将差动放大器的输出端与电压的输出插口相连；开启主、负电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使电压表显示为零，关闭主、副电源。

3)根据图接线电阻1、2、3为电桥单元的固定电阻。

4)将测微头转到10毫米刻度附近，安装到双平等梁的自由端，调节测微头支柱的高度使电压表显示最小，再旋动测微头，使电压表显示为零。

5)往下旋动测微头，记录数据。

位10.00 9.50 9.00 8.50 8.00

移/mm

电0.000 -0.006 -0.014 -0.021 -0.030

压/mV

6）根据所得结果计算灵敏度

7）实验完毕，关闭电源，所有旋钮转到初始位置。

（2）金属箔片应变片：单臂、半桥、全桥比较

旋钮初始位置：直流稳压电源打到±2V挡，F/V打到2V挡，差动放大增益最大。

1)将差动放大器调零后，关闭电源

2)按图接线

3)调整测微头是双平行梁处于水平位置，将直流稳压电源打到±4V挡。选择合适放大增益，然后调整电桥平衡电位器1，使表头显示为零。

4)旋转测微头，记录数据

位10.00 9.50 9.00 8.50

移/mm

电0.000 -0.015 -0.033 -0.049

压/mV

5）保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F/V表显示表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，并记录。

位10.00 9.50 9.00 8.50

移/mm

0.000-0.026-0.062-0.091

/mV

保持差动放大器增益不变，R，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成，R2换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使F/V表显示0.重复步骤4）。

7）在同一坐标纸上描出X-Y曲线，比较三种接法的灵敏度。

单臂电桥，半桥，全桥电路的共同点是应用了不平衡电桥的特点，三种桥式电路的不同点是所含有的应变片的数量，分别是一片，二片和四片。因此，应变片数量越多，灵敏度越高。

数据处理：

（3）应变片的温度效应及补偿

有关旋钮的初始位置：主，副电源关闭，直流稳压电源置挡，F/V表置20V挡，差动放大器增益旋钮置最大。

1）了解加热器在实验仪所在的位置及加热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。

2）将差动放大器的（+），（-）输入端与地短接，输出端插口与F/V表的输入插