完整word版单臂半桥全桥传感器实验报告.docx
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完整word版单臂半桥全桥传感器实验报告
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=l/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
o1=EK
ε。
/4
图1-1应变式传感器安装示意图
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，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
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，输出端与主控台面板上数显表
1
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（注意：
当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。
一直到做完实验三为止）。
3．将应变式传感器的其中一个电阻应变片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±4V（从主控台引入），此时应将±4地与
±15地短接。
如图1-2所示。
检查接线无误后，合上主控台电源开关。
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（或500g）砝码加完。
记下实验结果填入表1-1，关闭电源。
表1-1单臂电桥测量时，输出电压与加负载重量值
重量（g）
电压（mv）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
4
8
13
18
22
27
32
37
41
46
5．根据表1-1计算系统灵敏度S＝U/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变
化量）和非线性误差δf1=m/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，此处为200g（或500g）。
2
>>t=[20406080100120140160180200];
>>r=[481318222732374146];
>>aa=polyfit（t,r,1）;
>>a=aa
（1）,b=aa
（2）,
a=
0.2352
b=
-1.0667
>>symsT,R=a*T+bR=
194/825*T-300239975158037/281474976710656
>>y=polyval（aa,t）;
>>plot（t,r,'r*'）,
>>holdon,plot（t,y,'b-'）,holdoff
>>legend（'数据点（ri,Ri）','拟合直线R=a*T+b'）,
>>xlabel（'x'）,ylabel（'y'）,
>>title（'数据点（ri,Ri）和拟合直线R=T*a+b的图形'）
3
灵敏度计算
y
y表示输出变化量，
x表示输入变化量
s
x
在本题中s
U
W表示重量变化量。
U表示输出电压变化量，
W
W都为20g，
U1
4mv,U2
5mv,U35mv,
U4
4mv,U5
5mv,U65mv,
U75mv,U84mv,U95mv
s1
0.2mv/g,
s2
0.25mv/g,
s3
0.25mv/g,
s4
0.2mv/g,s5
0.25mv/g,
s6
0.25mv/g,
s7
0.25mv/g,
s8
0.2mv/g,
s9
0.25mv/g
s=0.2333mv/g
非线性度的计算
4
>>x=[20406080100120140160180200];
>>y=[481318222732374146];
>>a=（20+40+60+80+100+120+140+160+180+200）/10
a=
110
>>b=（4+8+13+18+22+27+32+37+41+46）/10
b=
24.8000
>>w=（（4）^2+（8）^2+（13）^2+（18）^2+（22）^2+（27）^2+（32）^2+（37）^2+（41）^2+（46）^2）/10w=
797.6000
>>v=（20^2+40^2+60^2+80^2+100^2+120^2+140^2+160^2+180^2+200^2）/10
v=
15400
>>t=（20*6+40*11-60*14+80*20+100*24+120*30+140*36+160*43+180*49+200*56）/10
t=
3926
>>%非线性度Y
>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-a^2）*（w-b^2））Y=
1.5435
拟合度计算
>>[p,S]=polyfit（x,y,1）
p=
0.2352-1.0667
S=
R:
[2x2double]
5
df:
8
normr:
0.9079
>>[p,S,mu]=polyfit（x,y,1）
p=
14.239124.8000
S=
R:
[2x2double]
df:
8
normr:
0.9079
mu=
110.0000
60.5530
>>SSy=255.8900
>>RSS=2.1855
>>i=（SSy-RSS）/SSy
i=
0.9915
求得拟合度
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。
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。
6
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U02＝EKε／2。
三、需用器件与单元：
同实验一。
图2-1应变式传感器半桥实验接线图
四、实验步骤：
1．传感器安装同实验一。
做实验
（一）的步骤2，实验模板差动放大器调零。
．根据图
2-1接线。
R
1、R2为实验模板左上方的应变片，注意
R2应和R1受力
2
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2-1，计算灵敏
度S2＝U／W，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。
表2-1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）
-9
-18
-27
-36
-46
-55
-64
-73
-83
-92
结合MATLAB
相关知识
7
代码和作图
>>t=[20406080100120140160180200];
>>r=[-9-18-27-36-46-55-64-73-83-92];
>>aa=polyfit（t,r,1）;
>>a=aa
（1）,b=aa
（2）,
a=
-0.4621
b=
0.5333
>>symsT,R=a*T+b
R=
-61/132*T+1200959900632211/2251799813685248
>>y=polyval（aa,t）;
>>plot（t,r,'r*'）,
>>holdon,plot（t,y,'b-'）,holdoff
>>legend（'数据点（ri,Ri）','拟合直线R=a*T+b'）,
>>xlabel（'x'）,ylabel（'y'）,
>>title（'数据点（ri,Ri）和拟合直线R=T*a+b的图形'）
8
实验二与实验一得灵敏度、拟合度、非线性度的计算方法一样可以求得
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。
实验三金属箔式应变片――全桥性能实验
9
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，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．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3-1；进行灵
敏度和非线性误差计算。
图3-1全桥性能实验接线图
表3-1全桥测量时，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）
-18.7
-38.1
-57.5
-76.6
-95.8
-114.5
-134.1
-153.2
-173.5
-190.9
10
在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下：
x=[20406080100120140160180200];
>>y=[-18.7-38.1-57.5-76.6-95.8-114.5-134.1-153.2-173.5-190.9];
>>p=polyfit（x,y,1）;
>>Y=polyval（p,x）;
plot（x,y,'*',x,Y）,xlabel（'重量（g）'）,ylabel（'电压（mv）'）>>
对此组数据进行灵敏度的计算
s
y
x表示输入变化量
y表示输出变化量，
x
在本题中s
U
=[（190.9-18.7）/9]/20=0.957mv/g
W
非线性度的计算
>>x=[20406080100120140160180200];
>>y=[-18.7-38.1-57.5-76.6-95.8-114.5-134.1-153.2-173.5-190.9];
>>a=（20+40+60+80+100+120+140+160+180+200）/10
a=
11
110
>>b=（18.7+38.1+57.5+76.6+95.8+114.5+134.1+153.2+173.5+190.9）/10
b=105.2900
>>
w=（（-18.7）^2+（-38.1）^2+（-57.5）^2+（-76.6）^2+（-95.8）^2+（-114.5）^2+（-134.1）^2+（-1
53.2）^2+（-173.5）^2+（-190.9）^2）/10
w=
1.4126e+004
>>v=（20^2+40^2+60^2+80^2+100^2+120^2+140^2+160^2+180^2+200^2）/10
v=
15400
>>
t=（20*18.7+40*38.1+60*57.5+80*76.6+100*95.8+120*114.5+140*134.1+160*153.2+180*173.5+200*190.9）/10
t=
1.4749e+004
>>%非线性度Y
>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-a^2）*（w-b^2））
Y=
1
非线性度参数γ总是在0和1之间。
越接近于1，数据的线形越好。
本题目中，γ已经很接近于1，这表明各数据点很好地在一条直线上。
12
实验四直流全桥的应用――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RW1，使数显表显示0.00V。
2．将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调
节）使数显表显示为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RW4（零位调节）使数显表显示为0.000V。
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4-1。
表4-1全桥测量时，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）
-19.7
-40.0
-60.0
-79.9-
-99.9
120.1
140.1
160.1
180.0
199.9
在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下
：
x=[20406080100120140160180200];
>>y=[-19.7-40.0-60.0-79.9-99.9-120.1-140.1-160.1-180.0-199.9];
>>p=polyfit（x,y,1）;
>>Y=polyval（p,x）;
plot（x,y,'*',x,Y）,xlabel（'重量（g）'）,ylabel（'电压（mv）'）
13
6．根据上表，计算误差与非线性误差。
（1）平均绝对误差
>>s=（abs（19.7-20）+abs（40.0-40）+abs（60.0-60）+abs（79.9-80）+abs（99.9-100）+abs（120.1-120）+ab
s（140.1-140）+abs（160.1-160）+abs（180.0-180）+abs（199.9-200））/10
s=
0.0900
（2）平均相对误差
d=s/20*100
d=
0.4500
即相对误差为0.45%
（3）非线性误差计算
>>S=abs（19.7-20）/200
S=0.0015
14
非线性误差为0.15%
实验五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5-1意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2
时，注意动极板接地，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。
图5-1传感器位移实验接线图
15
2．将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元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5-1。
表5-1电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
V（mv）
4．表5-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下：
x=[0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8];
>>y=[-1480-1468-1453-1433-1418-1399-1381-1367-1352-1334];
>>p=polyfit（x,y,1）;
>>Y=polyval（p,x）;
plot（x,y,'*',x,Y）,xlabel（'位移（mm）'）,ylabel（'输出电压（mv）'）>>
16
对此组数据进行灵敏度的计算
s
y
y表示输出变化量，
x表示输入变化量
x
在本题中s
U
U表示输出电压变化量，
X表示位移变化量。
X
X都为0.2mm
U1
12mv,
U2
15mv,U320mv,
U4
15mv,U5
9mv,U618mv,
U714mv,
U8
15mv,
U9
18mv
s1
60mv/mm,
s2
75mv/mm,
s3
100mv/mm,
s4
75mv/mm,s5
45mv/mm,
s6
90mv/mm,
s7
70mv/mm,
s8
75mv/mm,
s9
90mv/mm
S=81mv/mm
非线性度的计算
>>x=[0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8];
y=[-1480-1468-1453-1433-1418-1399-1381-1367-1352-1334];a=（0.0+0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8）/10
a=
0.9000
>>b=（1480+1468+1453+1433+1418+1399+1381+1367+1352+1334）/10
b=
1.4085e+003
>>v=（0.0^2+0.2^2+0.4^2+0.6^2+0.8^2+1.0^2+1.2^2+1.4^2+1.6^2+1.8^2）/10
v=
1.1400
>>w=（（-1480）^2+（-1468）^2+（1453）^2+（1433）^2+（1418）^2+（-1399）^2+（-1381）^2+（-1367
）^2+（-1352）^2+（-1334）^2）/10
w=
1.9861e+006
>>
t=（1480*0.0+1468*0.2+1453*0.4+1433*0.6+1418*0.8+1399*1.0+1381*1.2+1367*1.4+1352*1.6+1334*1.8）/10
17
t=
1.2403e+003
%非线性度Y
>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-a^2）*（w-b^2））
Y=
-1.0087
五、思考题：
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？
18
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