试验一电阻应变片传感器特性试验.docx

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试验一电阻应变片传感器特性试验

实验一、二电阻应变片传感器特性实验

一、实验目的：

1．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。

2．比较半桥，全桥测量电路与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。

二、基本原理：

敏感元件—金属箔在外力作用下，其电阻值会发生变化。

即金属的电阻应变效应。

根据推导可以得出：

“应变效应”的表达式。

k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+

），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是

，是材料的电阻率

随应变引起的（称“压阻效应”）。

对于金属材料而言，以前者为主，则

，对半导体，

值主要是由电阻率相对变化所决定。

实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。

通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。

在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。

通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系

（4）

式中σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。

通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。

电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

单臂电桥：

即应变片电阻接入电桥的一臂，测出其电阻变化值，结构比较简单，但是灵敏度较差；

半桥：

把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UO2＝EGε／2。

式中E为电桥供电电压。

全桥：

测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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明显改善

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表。

四、实验内容与步骤：

1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。

传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。

可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

图1－1应变式传感器安装示意图图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图

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，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，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电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。

（注意：

当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。

）

3、按图1-2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模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）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。

4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并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。

表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量（g）

电压（mv）

5．根据表1－1计算系统灵敏度

（

输出电压的变化量，

重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中

（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：

yFS满量程输出平均值,此处为200g.

6．根据图1-3接线。

R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和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±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度

，非线性误差

。

若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。

则应更换应变片。

图1-3应变式传感器半桥实验接线图图1-4应变式传感器全桥实验接线图

表1－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mV）

7．根据1-4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。

表1－3全桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

电压（mV）

五、实验注意事项：

1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

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、负应变片均可以。

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、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。

4．全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）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。

5、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。

图1-4应变式传感器受拉时传感器周面展开图

七、实验报告要求：

1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2、从理论上分析产生非线性误差的原因。

3．根据所记录的数据绘制出半桥和全桥时传感器的特性曲线

4．比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。

实验三电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

一、基本原理：

利用平板电容C＝εS／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、S、d中三个参数中，保持两个参数不变，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S）等多种电容传感器。

变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。

）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：

（1）

式中

——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；

——外圆筒内半径和内圆柱外半径。

当两圆筒相对移动

时，电容变化量

为

（2）

于是，可得其静态灵敏度为：

（3）

可见灵敏度与

有关，

越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度

与灵敏度无关，但

不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。

本实验为变面积式电容传感器，采用差动式圆柱形结构，因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响，并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。

二、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。

三、实验步骤：

1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中。

2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。

3、接入±15V电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表3-1。

表3－1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

4、根据表3-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差

。

五、实验注意事项：

1、传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

2、做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。

图3-1电容传感器位移实验接线图

六、思考题：

1、简述什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响。

2、电容式传感器和电感式传感器相比，有哪些优缺点？

七、实验报告要求：

1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。

2、根据实验结果，分析引起这些非线性得原因，并说明怎样提高传感器得线性度。

实验四差动变压器式传感器实验

一、实验目的：

1．了解差动变压器式传感器的原理和结构（这里是三段式）；

2．了解差动变压零点残余电压组成及其补偿办法；

3．*激励频率对差动变压器输出的影响（选做）。

二、基本原理：

差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。

零点残余电压：

由于传感器阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了达到电桥平衡，就要求线圈的电阻R相等，两线圈的电感L相等。

实际上，这种情况是难以精确达到的，就是说不易达到电桥的绝对平衡。

在零点有一个最小的输出电压，一般把这个最小的输出电压称为零点残余电压，如果零点残余电压过大，会使灵敏度下降，非线性误差增大，甚至造成放大器末级趋于饱和，致使仪器电路不能正常工作。

造成零残电压的原因，总的来说，是两电感线圈的等效参数不对称造成的。

包括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。

*激励频率对其特性的影响：

差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：

表示,式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。

三、需用器件与单元：

差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、示波器，音频信号源。

四、实验内容与步骤：

第一部分基本特性实验：

1、将差动变压器及测微头按装在差动变压器实验模板上。

2、将传感器引线插头插入实验模板的插座中，在模块上按图4-1接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的音频振荡器的端子（正相或反相）输出，调节音频振荡器的频率，使输出频率为4-5KHZ（可用主控箱的频率计来监测）。

调节输出幅度为峰—峰值Vp-p=2V（可用示波器监测）。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表4-1，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

图4-1双踪示波器与差动变压器连接示意图图4-2零点残余电压补偿电路之一

表4－1差动变压器位移X值与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

4、

实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压的大小，根据表4-1画出Vop-p—X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

第二部分：

零点残余电压的测定和补偿

1、按图4－2接线，音频信号源从主控箱输出，实验模板上R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。

利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰-峰值。

2、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。

3、依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。

4、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。

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是经放大后的零点残余电压，实际零点残余电压为Vp-p/K，K为放大倍数。

）

*第三部分（选做）激励频率对变压器特性的影响

1、将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

2、按图4-2连接好线。

3、选择音频信号输出频率为1KHZ（从正相或反向）输出，（可用主控箱的频率计显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1、Rw2使输出变得更小。

4、用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置。

2.50mm处，有较大的输出。

将测试结果记入表4-2。

5、分别改变激励频率为1KHZ—9KHZ，幅值不变将测试结果记入下表4－2中。

表4－2不同激励频率时输出电压（峰－峰值）的关系。

f（Hz）

1KHz

2KHz

3KHz

4KHz

5KHz

6KHz

7KHz

8KHz

9KHz

Vop-p（V）

6、作出幅频特性曲线。

五、实验注意事项：

1、在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vp-p值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。

2、模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。

3、传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

六、思考题：

1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受什么影响？

2试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

3、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。

4、本实验也可用图4-3所示的电路，请分析原理。

5*、提高激励频率有哪些优点？

但是过高的激励频率又会带来哪些不利因素？

应怎样确定激励频率。

6*、若用差动变压器式传感器测量振动，测量的频率受什么限制？

图4-3零点残余电压补偿电路之二

七、实验报告要求：

1、根据实验测得的数据，绘制出测微头左移和右移时传感器的特性曲线。

2、分析产生非线性误差的原因。

3、分析产生零点残余电压的原因，对差动变压器的性能有哪些不利影响。

用哪些方法可以减小零点残余电压。

4、归纳总结前两种补偿电路的优缺点。

5*、根据实验所得的数据作出传感器的幅频特性曲线。

6*、归纳总结正确选择激励信号的幅度和频率的特点。

实验五Pt100热电阻测温实验

一、实验目的：

了解热电阻的特性与应用。

二、基本原理：

利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，而稳定，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。

常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0－630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=Ro（1+At+Bt2）

Ro系温度为0℃时的电阻。

本实验Ro＝100℃。

A＝3.9684×10－2／℃，B＝－5.847×10－7／℃2，铂电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。

四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用于高精度温度检测。

本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。

三、需用器件与单元：

Pt100热电阻（温度模块上）、1A恒流源、温度控制单元（温控器）、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。

四、实验步骤：

图5-1Pt100热电阻测温实验接线图

1、将温度模块中的实验Pt100接入a、b间，把b、c连接起来，这样，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就组成了一种直流单臂电桥，再把Rw2逆时针旋到底（增益最小）。

2、把温度模块的±15V和主控箱的±15V输出连接起来，差动放大器的Vo与主控箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接，调节Rw3使差动放大器的输出为零。

3、按图5-1连接好线，在端点a与地之间加+5V的直流电源，按图11-1将电桥的输出与差动放大器相连，温度控制器的SV窗口设定为

（设置方法见附录2），然后调节Rw1使电桥平衡，即使差放的输出为零。

4、在

的基础上，以后每隔

设定一次，即Δt=

，读取数显表值，将结果填入下表。

表5－1

T（℃）

V（mV）

5、根据上表计算Pt100的非线性误差。

五、实验注意事项：

加热器温度不能加热到120℃以上，否则将可能损坏加热器。

六、思考题：

如何根据测温范围和精度要求选用热电阻？

七、实验报告要求：

1、根据实验所得的数据，做出传感器的特性曲线，并利用最小二乘法做出拟合直线，计算该传感器得非线性误差。

2、总结Pt100热电阻传感器有哪些优缺点。

实验六集成温度传感器的特性

一、实验目的：

了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。

二、基本原理：

集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于－50℃－＋150℃之间测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极—发射极电压与温度成线性关系。

为克服温敏晶体管Ub电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。

集成温度传感器有电压型和电流型二种，电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。

因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。

具有很好的线性特性。

本实验采用的是国产的AD590。

它只需要一种电源（＋4V－＋30V）。

即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为R2）即可实现电流到电压的转换。

它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。

三、需用器件与单元：

温度控制器、加热源、温度模块、数显单元、万用表。

四、实验步骤：

1、将主控箱上总电源关闭，把主控箱中温度检测与控制单元中的恒流加热电源输出与温度模块中的恒流输入连接起来。

2、将温度模块中的温控Pt100与主控箱的Pt100输入连接起来。

3、将温度模块中左上角的AD590接到a、b上（正端接a，负端接b），再将b、d连接起来。

4、将主控箱的+5V电源接入a和地之间。

5、将d和地与主控箱的电压表输入端相连（即测量1K电阻两端的电压）。

6、开启主电源，将温度控制器的SV窗口设定为

（设置方法见附录2），以后每隔

设定一次，即Δt=

，读取数显表值，将结果填入下表。

表6－1

T（℃）

V（mV）

7、根据上表计算AD590的非线性误差。

五、实验注意事项：

1、加热器温度不能加热到120℃以上，否则将可能损坏加热器。

2、不要将AD590的+、-端接反，因为反向电压可能击穿AD590。

六、思考题：

大家知道在一定的电流模式下PN结的正向电压与温度之间具有较好的线性关系，因此就有温敏二极管，你若有兴趣可以利用开关二极管或其它温敏二极管在50℃－100℃之间，作温度特性，然后与集成温度传感器相同区间的温度特性进行比较，从线性看温度传感器线性优于温敏二极管，请阐明理由。

七、实验报告要求：

1、简单说明AD590的基本原理，讨论电流输出型和电压输出型集成温度传感器的优缺点。

2、总结实验后的收获、体会。

实验七直流激励时霍尔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：

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为

，式中k—位移传感器的灵敏度。

这样它就可以用来测量位移。

霍尔电动势的极性表示了元件的方向。

磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V直流电源、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图7-1进行。

1、3为电源±5V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。

图7-1直流激励时霍尔传感器位移实验接线图

3、测微头往轴向方向推进，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7-1。

表7－1

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、实验注意事项：

1、对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。

2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V，否则将可能烧毁霍尔元件。

六、思考题：

本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化？

七、实验报告要求：

1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。

2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。

附录1实验箱温度控制简要原理

当总电源开关合上，并且温度控制器的开关也闭合时，如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值，那么温度控制器面板上ALM2灯亮（ALM2为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开触点串联的），内部继电器闭合，温度模块开始加热，加热电源为1A恒流源，当温度加热到略高与设定温度值时，ALM2灯灭，内部继电器断开，温度模块停止加热，但由于温度的惯性比较大，因此当温度模块停止加热后，仍有一定的向上的冲量。

附录2温度控制器使用说明

1、仪表通电显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗输入代码，后显示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型显示PV窗Jd—0—5、SV窗2003），随后即进入工作状态，其中PV显示的为测量的温度值，SV显示的为设定的温度值，当SV的值大于PV的值时ALM2灯亮，恒流源有输出，当PV的值大于SV的值时，ALM1灯亮，恒流源无输出，按SET键0.5秒SV显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按SET键0.5秒确认，如需要修改其他参数，必须按住SET键大于3秒，即进入B菜单，可按要求逐一修改内容（见操作流程表），修