金属箔式应变片单臂电桥性能实验.docx
《金属箔式应变片单臂电桥性能实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属箔式应变片单臂电桥性能实验.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
金属箔式应变片单臂电桥性能实验
金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
实验1金属箔式应变片――单臂电桥性能实验
一、实验目的:
1、了解金属箔式应变片的应变效应
2、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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
，对单臂电桥输出电压U=EKε/4。
o1
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、应变式传感器,电子秤、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（电子秤）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，R,R,R123
R,350Ω，加热丝阻值为50Ω左右4
1
图1,1应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源?
15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益
电位器R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W3
地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端V相连，调节实验模板上调零电位器R，使数显iW4
表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。
关闭主控箱电源（注意:
当R、R的位置一旦确w3w4
定，就不能改变。
一直到做完实验为止）。
3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R（即模板左上方的R）接入电桥作为一个桥臂与R、115
R、R接成直流电桥（R、R、R模块内已接好），接好电桥调零电位器R，接上桥路电源?
67567W1
4V（从主控台引入）如图1,2所示。
检查接线无误后，合上主控台电源开关。
调节R，使数显W1
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（或
500g）砝码加完。
记下实验结果填入表1,1，关闭电源。
重量（g）
2
电压（mv）5、根据表1,1计算系统灵敏度S,ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差
=Δm/y×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:
yδ?
f1F..SFS
满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
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。
3
实验2金属箔式应变片――半桥性能实验
一、实验目的:
1、半桥工作原理和性能。
2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、基本原理:
不同受力方向的两只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。
当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U,EKε,2。
O2
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、应变式传感器,电子秤、砝码、数显表、?
15V电源、?
4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤:
1、传感器安装同实验1。
做实验1的步骤2，实验模板差动放大器调零。
2、根据图2,1接线。
R、R为实验模板左上方的应变片，注意R应和R受力状态相反，即将传感1221
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R进行桥路调零，实验步骤3、4同实验1中4、5的步骤，将实验数据记W1
入表2,1，计算灵敏度S,U,W，非线性误差δ。
若实验时无数值显示说明R与R为相同受2f221
力状态应变片，应更换另一个应变片。
4
图2,1应变式传感器半桥实验接线图
表2,1半桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量电压
五、思考题:
1、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。
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。
5
实验3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，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值:
R,R,R,R，1234其变化值ΔR,ΔR,ΔR,ΔR时，其桥路输出电压U,KEε。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，123402
非线性误差和温度误差均得到改善。
三、需用器件和单元:
应变式传感器实验模板、应变式传感器,电子秤、砝码、数显表、?
15V电源、?
4V电源、万用表（自备）。
四、实验步骤:
1、传感器安装同实验一。
2、根据图3,1接线，实验方法与实验二相同。
将实验结果填入表1,3;进行灵敏度和非线性误差
计算。
6
图3,1全桥性能实验接线图
表3,1全桥输出电压与加负载重量值
重量电压
五、思考题:
1、全桥测量中，当两组对边（R、R为对边）电阻值R相同时，即R,R，R,R，而R?
R时，13132412是否可以组成全桥:
（1）可以
（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。
FF
R1R1R3
R3
R4R2R2
R4
FF
图3,2应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图
7
实验4金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验
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。
阐述理由（注意:
实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。
8
实验5直流全桥的应用――电子秤实验
一、实验目的:
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理:
电子秤实验原理为实验三，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）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。
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
四、实验步骤:
1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图3,1全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥
平衡电位R，使数显表显示0.00V。
W1
2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器R（增益即满量程调节）使数显表显示为W3
0.200V（2V档测量）或,0.200V。
3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R（零位调节）使数显表显示为0.0000V。
W4
4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。
成为一
台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上，填入下表5,1。
重量（g）
电压（mv）
6、根据上表，计算误差与非线性误差。
9
实验6交流全桥的应用――振动测量实验
一、实验目的:
了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、基本原理:
对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。
三、需用器件与单元:
音频振荡器、低频振荡器、万用表（自备）、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、双综示波器、振动源。
四、实验步骤:
1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。
2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。
因振动梁上的四片应变片已组成
全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。
接线时应注意连
接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350Ω，若二组对角线阻值均为350Ω则接法正确（万用表
测量）。
3、根据图6,1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R、R、C、R为交流电桥调平衡网络。
检查接8w1w2
线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p（频
率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测）
4、将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。
10
11
图6,1应变片振动测量实验接线图
5、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入数显单元的Fin，把数显表的切换开关打到频率档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出Vo的电压峰,峰值，填入表6,1。
12
f（Hz）
Vo（p-p）
从实验数据得振动梁的自振频率为HZ。
五、思考题:
1、在交流电桥测量中，对音频振荡器频率和被测梁振动频率之间有什么要求,2、请归纳直流电桥和交流电桥的特点,
附移相器和相敏检波器电路原理图
图6,2移相器电路原理图
图6,3相敏检波器的电路原理图
13
实验7差动变压器零点残余电压补偿实验
一、实验目的:
了解差动变压器零点残余电压补偿方法。
二、基本原理:
由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B,H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。
称其为零点残余电压。
三、需用器件与单元:
音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。
四、实验步骤:
1、按图7,1接线，音频信号源从L插口输出，实验模板R、C、R、R为电桥单元中调平V11W1W2
衡网络。
图7,1零点残余电压补偿电路
2、利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰,峰值。
3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
4、依次调整R、R，使输出电压降至最小。
W1W2
5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。
6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰,峰值）。
（注:
这时的零点残余电压经放大
后的零点残余电压,V,K，K为放大倍数）零点p-p
14
五、思考题:
1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。
2、本实验也可用图7,2所示线路，请分析原理。
图7,2零点残余电压补偿电路之二
15
实验8差动变压器的应用――振动测量实验
一、实验目的:
了解差动变压器测量振动的方法。
二、基本原理:
利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。
三、需用器件与单元:
音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、测微头、数显单元、低频振荡器、振动源单元（台面上）、示波器、直流稳压电源。
四、实验步骤:
1、将差动变压器按图8,1，安装在台面三源板的振动源单元上。
图8,1差动变压器振动测量安装图
2、按图8,2接线，并调整好有关部分，调整如下:
（1）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用
示波器观察L峰,峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=2V
（2）利用示波器观察相敏检V
波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
（3）仔细调节R和RW1W2
使示波器（相敏检小波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。
（4）用手按住振动平台（让传感
器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波
16
和R）激振源整流波形。
（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线。
（否则再调节RW1W2
接上低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。
用示波器观
察放大器Vo相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。
图8,2差动变压器振动测量实验接线图3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用
示波器观察低通滤波器的输出，读出峰,峰电压值，记下实验数据，填入下表8,1
表8,1
f（Hz）Vp-p（V）4、根据实验结果作出梁的振幅――频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结
果相比较。
5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。
注意事项:
低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。
五、思考题:
17
1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何,
2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制,
实验9电容式传感器的位移实验
一、实验目的:
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:
利用平板电容C,εA,d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）
和测量液位（变A）等多种电容传感器。
三、需用器件与单元:
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤:
1、按图9,1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别C和C时，注意动极X1X2
板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。
不然得调换接头。
一般接线:
二个静
片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。
2、将电容传感器电容C和C的静片接线分别插入电容传感器实验模板C、C插孔上，动极板连12x1x2
接地插孔（见图4,1）。
18
图9,1电容传感器位移实验接线图
3、将电容传感器实验模板的输出端V与数显表单元V相接（插入主控箱V孔），Rw调节到中o1ii
间位置。
4、接入?
15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输
出电压值，填入表9,1。
表9,1电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
V（mv）5、根据表9,1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。
f
五、思考题:
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构,能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素,
19
实验10电容传感器动态特性实验
一、实验目的:
了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。
二、基本原理:
利用电容传感器频率响应好，可以非接触测量等特点。
进行动态位移测量。
三、需用器件与单元:
电容传感器、电容传感器实验模板、低通滤波模板、数显单元、直流稳压电源、双线示波器。
四、实验步骤:
1、传感器安装图同实验9，按图9,1接线。
实验模板输出端V接滤波器输入端、滤波器输出端o1
V接示波器一个通道。
调节传感器连接支架高度，使V输出在零点附近。
oo1
2、主控箱低频振荡器输出端与振动台激励源相接，振动频率选6,10H之间，幅度旋钮初始置0。
Z
3、输入?
15V电源到实验模板，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮取使振动台振动幅度适中，注
意观察示波器上显示的波形。
4、保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，可以用数显表测频率（将低频振荡器输出端与
数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档）。
从示波器测出传感器输出的V峰,峰值。
o1
保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的V峰,峰值。
o1
思考题:
1、为了进一步提高电容传感器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计。
如何设计成所谓
容栅传感器。
2、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量C和移动0.5mm时的变化量，（本实验O
外圆半径R,8mm，内圆柱外半径r,7.25mm，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l=16mm。
20
电容传感器具有结构简单，灵敏度高、分辨力高（可达0.01mm甚至更高）动态响应好，可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移，高频振动振幅，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量（如油、粮食中的水份）非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。
目前半导体电容式压力传器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。
实验11直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
一、实验目的:
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理:
根据霍尔效应，霍尔电势U,KIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。
HH
三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。
四、实验步骤:
1、将霍尔传感器按图11,1安装。
霍尔传感器与实验模板的连接按图11,2进行。
1、3为电源?
4V，2、4为输出。
2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节R使数显表指示为零。
W1
21
图11,1霍尔传感器安装示意图
图11,2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图3、微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表11,1。
表11,1
X（mm）
V（mv）
作出V,X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
五、思考题:
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化,
22
实验12交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验
一、实验目的:
了解交流激励时霍尔式传感器的特性。
二、基本原理:
交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。
三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元、相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。
四、实验步骤:
1、传感器安装同实验11，实验模板上连线见图12,1。
23
图12,1交流激励时霍尔传感器位移实验接线图
2、调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv输出，用示波器测量使电压输出频率为1KHz，电压峰,峰
值为接上交流电源，激励电压从音频输出端L输出频率1KH，幅值为4V峰,峰值（注意电压过大VZ
会烧坏霍尔元件）。
3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数
显表上观察，调节电位器R、R使显示为零。
W1W2
4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位
器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。
5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表12,1。
表12,1交流激励时输出电压和位移数据
X（mm）V（mv）
24
6、根据表12,1作出V,X曲线，计算不同量程时的非线性误差。
五、思考题:
利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制,
实验13霍尔传感器应用――电子秤实验
一、实验目的:
了解霍尔式传感器用于称重实验方法。
二、基本原理:
利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移，通过测位移来称重。
三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显单元。
四、实验步骤:
1、传感器安装、线路接法与实验十六相同。
25
2、在霍尔元件上加直流电压?
4V数显表为2V档。
3、调节传感器连接支架高度，使传感器在磁钢中点位置（要求当振动台无重物时，调节传感器高度
使它在线性段起点）调R使数显表输出零。
W2
、在振动台面上中间部位分别加砝码:
20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表上相应值，依次填4
入表13,1。
表13,1
W（g）
V（mv）
5、根据表13,1计算该称重系统的灵敏度。
6、放上未知重物，读出数显表电压值。
7、计算出未知重物为g。
六、思考题:
1、该电子称系统所加重量受到什么限制,
2、试分析本称重系统的误差。
实验14压电式传感器测振动实验
一、实验目的:
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理:
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
（观察实验用压电加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元:
26
振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。
双踪示波器。
四、实验步骤:
1、压电传感器已装在振动台面上。
2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
图14,1压电式传感器性能实验接线图
3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图14,1，与传感器外壳相连的接
线端接地，另一端接R。
将压电传感器实验模板电路输出端V，接R。
将压电传感器实验模板1o16
电路输出端V，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V与示波器相连。
020
4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。
5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
实验15电涡流传感器位移特性实验
一、实验目的:
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理:
27
通过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。
三、需用器件与单元:
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤:
1、根据图15,1安装电涡流传感器。
图8,1电涡流传感器安装示意图
图15,1电涡流传感器安装示意图
图15,2电涡流传感器位移实验接线图
2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。
28
相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
。
5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi
6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有，15V的插孔中。
、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一7
个数，直到输出几乎不变为止。
将结果列入表15,1。
表15,1电涡流传感器位移X与输出电压数据
X（mm）V（v）8、根据表15,1数据，画出V,X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工
作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。
五、思考题:
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量?
5mm的量程应如何设计传感器,
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。
29
实验16
升级会员 