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传感器实验报告

张世暾912110200336

同组人徐璐张世暾周云鹏

实验一应变片单臂电桥性能实验

一、实验目的：

了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

二、基本原理：

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应

　　所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：

设其长为：

L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得

（1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：

（1—2）

式中：

dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr

由材料力学得：

εL=-μεr （1—3）

式中：

μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式（1—3）代入式（1—2）得：

（1—4）

式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。

2、应变灵敏度

它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

（1）、金属导体的应变灵敏度K：

主要取决于其几何效应；可取

（1—5）

其灵敏度系数为：

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

（2）、半导体的应变灵敏度：

主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。

在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。

不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。

也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

3、贴片式应变片应用

在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。

一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。

＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。

4、箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右

的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。

（a）丝式应变片（b）箔式应变片

图1—1应变片结构图

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，与丝式应变片工作原理相同。

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。

5、测量电路

为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图1—2应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R5）－R7／（R7＋R6）〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E

设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈（1／4）（△R1／R1）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）、双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）、全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

6、箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1—3应变片单臂电桥性能实验原理图

图中R5、R6、R7为350Ω固定电阻，R1为应变片；RW1和R8组成电桥调平衡网络，E为供桥电源±4V。

桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。

差动放大器输出为Vo。

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码；4

位数显万用表（自备）。

四、实验步骤：

应变传感器实验模板说明：

应变传感器实验模板由应变式双孔悬臂梁载荷传感器（称重传感器）、加热器+5V电源输入口、多芯插头、应变片测量电路、差动放大器组成。

实验模板中的R1（传感器的左下）、R2（传感器的右下）、R3（传感器的右上）、R4（传感器的左上）为称重传感器上的应变片输出口；没有文字标记的5个电阻符号是空的无实体，其中4个电阻符号组成电桥模型是为电路初学者组成电桥接线方便而设；R5、R6、R7是350Ω固定电阻，是为应变片组成单臂电桥、双臂电桥（半桥）而设的其它桥臂电阻。

加热器+5V是传感器上的加热器的电源输入口，做应变片温度影响实验时用。

多芯插头是振动源的振动梁上的应变片输入口，做应变片测量振动实验时用。

1、将托盘安装到传感器上，如图1—4所示。

图1—4传感器托盘安装示意图

2、测量应变片的阻值：

当传感器的托盘上无重物时，分别测量应变片R1、R2、R3、R4

的阻值。

在传感器的托盘上放置10只砝码后再分别测量R1、R2、R3、R4的阻值变化，分析应变片的受力情况（受拉的应变片：

阻值变大，受压的应变片：

阻值变小。

）。

图1—5测量应变片的阻值示意图

3、实验模板中的差动放大器调零：

按图1—6示意接线，将主机箱上的电压表量程切换

开关切换到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关；调节放大器的增益电位器RW3合适位置（先顺时针轻轻转到底，再逆时针回转1圈）后，再调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

图1—6差动放在器调零接线示意图

4、应变片单臂电桥实验：

关闭主机箱电源，按图1—7示意图接线，将±2V～±10V可调电源调节到±4V档。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零；在传感器的托盘上依次增加放置一只20g砝码（尽量靠近托盘的中心点放置），读取相应的数显表电压值，记下实验数据填入表1。

图1—7应变片单臂电桥实验接线示意图

表1应变片单臂电桥性能实验数据

重量（g）

100

120

140

160

180

电压（mV）

5、根据表1数据作出曲线并计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS×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：

yFS满量程输出平均值，此处为200g。

实验完毕，关闭电源。

数据分析：

系统灵敏度S＝ΔV/ΔW=0.26

非线性误差δ=Δm/yFS×100％=1.02％

实验二应变片半桥性能实验

一、实验目的：

了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。

二、基本原理：

应变片基本原理参阅实验一。

应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。

不同应力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。

其桥路输出电压Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE。

图2—1应变片半桥特性实验原理图

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

1、按实验一（单臂电桥性能实验）中的步骤1和步骤3实验。

2、关闭主机箱电源，除将图1—7改成图2—2示意图接线外，其它按实验一中的步骤4实验。

读取相应的数显表电压值，填入表2中。

图2—2应变片半桥实验接线示意图

表2应变片半桥实验数据

重量（g）

100

120

140

160

180

电压（mV）

3、根据表2实验数据作出实验曲线，计算灵敏度S＝ΔV/ΔW，非线性误差δ。

实验完毕，关闭电源。

数据分析：

系统灵敏度S＝ΔV/ΔW=0.44

非线性误差δ=Δm/yFS×100％=2.23％

五、思考题：

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：

邻边。

实验三应变片全桥性能实验

一、实验目的：

了解应变片全桥工作特点及性能。

二、基本原理：

应变片基本原理参阅实验一。

应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。

应变片全桥测量电路中，将应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ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈（△R／R）E＝KεE。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。

图3—1应变片全桥特性实验接线示意图

三、需用器件和单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

实验步骤与方法（除了按图3—2示意接线外）参照实验二，将实验数据填入表3作出实验曲线并进行灵敏度和非线性误差计算。

实验完毕，关闭电源。

图3—2应变片全桥性能实验接线示意图

表3全桥性能实验数据

重量（g）

100

120

140

160

180

压（mV）

115

134

153

172

数据分析：

系统灵敏度S＝ΔV/ΔW=0.96非线性误差δ=Δm/yFS×100％=4.55％

五、思考题：

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

*实验四应变片单臂、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、基本原理：

如图4（a）、（b）、（c）

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图4应变电桥

（a）、Uo＝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。

Uo≈（1／4）（△R1／R1）E

所以电桥的电压灵敏度:

S＝Uo／（△R1／R1）≈kE＝（1／4）E

（b）、同理:

Uo≈（1／2）（△R1／R1）E

S＝（1／2）E

（C）、同理:

Uo≈（△R1／R1）E

S＝E

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、电压表；应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

四、实验步骤：

根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。

经实验验证阐述理由（注意：

实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。

实验完毕，关闭电源。

实验分析：

全桥是半桥的两倍，半桥是单臂的两倍，也就是说，灵敏度：

全=2*半=4*单

实验十一差动变压器的性能实验

一、实验目的：

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：

差动变压器的工作原理电磁互感原理。

差动变压器的结构如图11—1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。

差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。

由于把二个二次绕组反向串接（＊同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图11—2所示。

图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：

L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。

由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，

图11—1差动变压器的结构示意图图11—2差动变压器的等效电路图

因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。

同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。

因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

由图11—2可以看出一次绕组的电流为：

二次绕组的感应动势为：

由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：

其有效值为：

差动变压器的输出特性曲线如图11—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。

其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。

E0为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。

零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

为了减小零点残余电动势可采取以下方法：

图11—3 差动变压器输出特性

1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。

磁性材料要经过处理，

消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。

2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。

既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。

3、采用补偿线路减小零点残余电动势。

图11—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。

在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。

（a）（b）（c）

图11—4 减小零点残余电动势电路

三、需用器件与单元：

主机箱中的±15V直流稳压电源、音频振荡器；差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器。

四、实验步骤：

附：

测微头的组成与使用

测微头组成和读数如图11—5

测微头读数图

图11—5测位头组成与读数

测微头组成：

测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。

测微头读数与使用：

测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1mm／格），另一排是半毫米刻线（0.5mm／格）；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（0.01mm／格）。

用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。

微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01mm，这也叫测微头的分度值。

测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图11-5甲读数为3.678mm，不是3.178mm；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图11—5乙已过零则读2.514mm；如图11—5丙未过零，则不应读为2mm，读数应为1.980mm。

测微头使用：

测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10mm处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。

当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

1、差动变压器、测微头及实验模板按图11—6示意安装、接线。

实验模板中的L1为差动变压器的初级线圈，L2、L3为次级线圈，＊号为同名端；L1的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入。

检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器的频率为4kHz～5kHz、幅度为峰峰值Vp-p＝2V作为差动变压器初级线圈的激励电压（示波器设置提示：

触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO。

垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择交流耦合AC、CH1灵敏度VOLTS/DIV在0.5V～1V范围内选择、CH2灵敏度VOLTS/DIV在0.1V～50mV范围内选择）。

图11—6差动变压器性能实验安装、接线示意图

2、差动变压器的性能实验：

使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用如下a、b两种方法实验，建议用b方法可以检测到差动变压器零点残余电压附近的死区范围。

a、调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。

松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉。

仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值（零点残余电压）并定为位移的相对零点。

这时可假设其中一个方向为正位移，另一个方向位移为负，从Vp-p最小开始旋动测微头的微分筒，每隔△X=0.2mm（可取30点值）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表4，再将测位头位移退回到Vp-p最小处开始反方向（也取30点值）做相同的位移实验。

在实验过程中请注意：

⑴从Vp-p最小处决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差；所以，实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量，如过量则只好剔除这一点粗大误差继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。

⑵当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到Vp-p最小处时它的位移读数有变化（没有回到原来起始位置）是正常的，做实验时位移取相对变化量△X为定值，与测微头的起始点定在哪一根刻度线上没有关系，只要中途测微头微分筒不回调就不会引起机械回程误差。

*b、调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。

松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉，再顺时针方向转动测微头的微分筒12圈，记录此时的测微头读数和示波器CH2通道显示的波形Vp-p（峰峰值）值为实验起点值。

以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒，每隔

△X=0.2mm（可取60～70点值）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表11（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差）。

3、根据表11数据画出X－Vp-p曲线并找出差动变压器的零点残余电压。

实验完毕，关闭电源。

表11差动变压器性能实验数据

△X（mm）

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Vp-p（V）

3.14

3.06

3.02

2.96

2.90

2.82

2.76

2.68

2.64

2.58

五、思考题：

1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答：

差动变压器的工作原理类似一般电源变压器的作用原理，差动变压器在使用时采用了两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同，由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零

2、用直流电压激励会损坏传感器。

为什么？

答：

因为变压器初级直接接到了直流电压上，由于初级线圈直流电阻很低，这样形成很大的直流电流。

产生的热量如果足够大，可能将初级线圈烧毁，一般线圈都是不能直接接到直流电压上的。

3、如何理解差动变压器的零点残余电压？

用什么方法可以减小零点残余电压？

答：

将差动变压器输出经相敏检波器检波后即可见效零点残余电压

实验十四差动变压器测位移实验

一、实验目的：

了解差动变压器测位移时的应用方法

二、基本原理：

差动变压器的工作原理参阅实验十一（差动变压器性能实验）。

差动变压器在应用时要想法消除零点残余电动势和死区，选用合适的测量电路，如采用相敏检波电路，既可判别衔铁移动（位移）方向又可改善输出特性，消除测量范围内的死区。

图14—1是差动变压器测位移原理框图。

图14—1差动变压器测位移原理框图

三、需用器件与单元：

主机箱中的±2V～±10V（步进可调）直流稳压电源、±15V直流稳压电源、音频振荡器、电压表；差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/低通滤波器实验模板；测微头、双踪示波器。

四、实验步骤：

1、相敏检波器电路调试：

将主机箱的音频振荡器的幅度调到最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），将±2V～±10V可调电源调节到±2V档，再按图14—2示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节音频振荡器频率f=5kHz，峰峰值Vp-p=5V（用示波器测量。

提示：

正确选择双踪示波器的“触发”方式及其它设置，触发源选择内触发CH1、水平扫描速度TIME/DIV在0.1mS～10µS范围内选择、触发方式选择AUTO；垂直显示方式为双踪显示DUAL、垂直输入耦合方式选择直流耦合DC、灵敏度VOLTS/DIV在1V～5V范围内选择。

当CH1、CH2输入对地短接时移动光迹线居

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