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传感器实验报告

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: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：
ΔR/R=Kε
式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L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受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。
四、实验步骤：

1、根据图(1-1)应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图1-1 应变式传感安装示意图
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，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，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表电压输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。

3、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模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)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。

图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、在电子称上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和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。

重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
4.6
7.2
11.9
16.5
21.3
26.1
30.8
35.8
41.2
46.4
5、根据表1-1计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)计算线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差，yF·S满量程输出平均值。
（1）计算机绘图：

拟合方程为:
y = 0.2235x;
其中： 重量取x（g）,电压y(mv)
R²= 0993
拟合直线能够以大于99.3%地解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。
系统的灵敏度为 0.2235 v/kg.

（2）系统线性误差计算

重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
拟合电压(mV)
4.47
8.94
13.41
17.88
22.36
26.82
31.29
35.76
40.23
44.7
实验电压(mV)
4.6
7.2
11.9
16.5
21.3
26.1
30.8
35.8
41.2
46.4
偏差电压(mV)
-0.13
1.74
1.51
1.38
1.06
0.72
0.49
-0.04
-0.97
-1.7

输出值与拟合直线的最大偏差Δm =1.74mV;
满量程输出 y= 46.4mV;
δ = ±Δm/y × 100%
= ±1.74/46.4 ×100% =±3.75%
五、思考题：
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。
答：(1)正(受拉)应变片

实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
二、基本原理：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U02=EK/ε2。
三、需用器件与单元：同实验一。
四、实验步骤：
1、传感器安装同实验一。做实验(一)2的步骤，实验模板差动放大器调零。
2、参考图1-2，将适当的两片应变片接入桥路。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2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±4V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表1-2，计算灵敏度S=ΔU/ΔW，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

图1-3 应变片传感器半桥实验接线图
表1-2半桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

拟合方程为:
y = 0.5x;
其中： 重量取x（g）,电压y(mv)
R²= 1
拟合直线能够完全的解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。
系统的灵敏度为 10V/kg

（2）系统线性误差计算
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
实验电压(mv)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
拟合电压(mv)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
偏差电压(mv)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
输出值与拟合直线的最大偏差Δm =0mV;
满量程输出 y= 100mV;
δ = ±Δm/y × 100%
= 0
传感器线性度极好

五、思考题：
1、半桥侧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。
答：邻边
因为，两个应变片的性能相似，放在临边，在金属箔片收到压力时，一个应变片电阻增大，一个应变片电阻减小，如果两个应变片放在对边，则，他们的变化就会相互抵消掉，由于性能上的接近，甚至会导致实验输出为0，只有放在临边，才能将两个应变片的独立性发挥出来，得到的实验数据应该比原来单应变片灵敏度上要高一倍。
2、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。
答：(1)占据的因素比较大,电桥本身的实验原理就存在系统误差。
但是(2),应变片理论上讲，也不是完全符合线性规律的，只是很接近线性规律或者人为的将其模式化而已。

实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的：了解全桥测量电路优点。
二、基本原理：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：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改善。
三、需用器件和单元：同实验一。
四、实验步骤：
1、传感器安装同实验一。
2、参考图1-2接线，将四片应变片接入桥路。将实验结果填入表1-3；进
行灵敏度和非线性误差计算。

图1-4 全桥性能实验接线图

表1-3全桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压(mv)
20
40
60
81
101
121
142
162
182
202

拟合方程为:
y = 1.0136x-0.4;
其中： 重量取x（g）,电压y(mv)
R²= 1
拟合直线能够完全的解释、涵盖了实测数据，具有很好的一般性。
系统的灵敏度为 1.0136V/kg

（2）系统线性误差计算

重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
实验电压(mV)
20
40
60
81
101
121
142
162
182
202
拟合电压(mV)
19.872
40.144　
60.416　
80.688　
100.96　
121.232　
141.504　
161.776　
182.048　
202.32　
偏差电压(mV)
0.128
-0.144　
-0.416　
0.312　
0.04　
-0.232　
0.496　
0.224　
-0.048　
-0.32　
输出值与拟合直线的最大偏差Δm =0.496mV;
满量程输出 y= 202mV;
δ = ±Δm/y × 100%
= ±0.496/202 ×100% =±0.25%

五、思考题：
1、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：(1)可以(2)不可以。
答：(2)不可以

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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

答：选择第二组，因为第二组的应变片在两个方向上都有，利用两组不同的数据就可以组建全桥，从而测得数据。

图1-5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的数据，在同一坐标系中分别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度，并从理论上进行论证、阐述(注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同)。
三、数据与理论分析
(1)单臂、半桥、和全桥的电压/重量曲线

(2)
从实验一、二、三中可以得到
单臂电桥实验：
灵敏度：0.2235 v/kg.
非线性度：δ =±3.75%.
半桥实验：
灵敏度：0.5V/kg.
非线性度：δ = 0%.
全桥实验：
灵敏度：1.0136V/kg.
非线性度：δ = ±0.25%.
(3)理论论证：
单臂电桥实验

U = ((R1 + ΔR)/(R5+R1+ΔR) – R7/(R6+R7))U
≈ ΔR*R5/((R5+R1)(R5+R1)) * U

半桥实验：
U = ((R1 + ΔR)/(R5-ΔR+R1+ΔR) – R7/(R6+R7))U
≈ ΔR/2R1 * U

全桥实验：
U = ((R1 + ΔR)/(R2-ΔR+R1+ΔR) – (R4-ΔR)/(R2+R1))U
≈ ΔR/R1 * U

所以， 单臂实验，半桥实验，全桥实验，三个的灵敏度为1:2:4.
理论上，非线性误差 应该全桥最小，半桥次之，单臂最大。因为 全桥中的4个传感器的误差相互之间抵消，而单臂的误差就是一个传感器的误差，相对来说，误差较大。
实验数据表明， 三者的灵敏度基本符合 1:2:4的比率，但是，半桥的非线性度为零，最小。单桥的非线性度较大。可以看出非线性度的测量不是很符合理论值，应该是各种偶然误差的存在导致的。