完整word版单臂半桥全桥传感器实验报告.docx

1、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： RRK，式中 RR 为电阻丝电阻相对变化， K 为应变灵敏系数，=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Uo1= EK 。/4图 1-1 应变式传感器安装示意图三

2、、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 R4350，加热丝阻值为 50 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 V

3、i 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

4、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 500 g）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)204060801001201401601802004813182227323741465根据表 1-1 计算系统灵敏度 S U/ W（ U输出电压变化量， W重量变化量）和非线性误差 f1= m/yFS100式中 m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（或 500g）。2t=20 40 60 80 100 120 14

5、0 160 180 200;r=4 8 13 18 22 27 32 37 41 46;aa=polyfit(t,r,1);a=aa(1),b=aa(2),a =0.2352b =-1.0667syms T,R=a*T+b R =194/825*T-300239975158037/281474976710656y=polyval(aa,t);plot(t,r,r*),hold on,plot(t,y,b-),hold off 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

6、*a+b 的图形 )3灵敏度计算yy 表示输出变化量，x 表示输入变化量sx在本题中 sUW 表示重量变化量。U 表示输出电压变化量，WW都为 20g，U 14mv, U 25mv, U 3 5mv,U 44mv, U 55mv, U 6 5mv,U 7 5mv, U 8 4mv, U 9 5mvs10.2mv / g,s20.25mv / g,s30.25mv / g,s40.2mv / g, s50.25mv/ g,s60.25mv / g,s70.25mv / g,s80.2mv / g,s90.25mv / gs=0.2333mv/g非线性度的计算4x=20 40 60 80 100

7、120 140 160 180 200;y=4 8 13 18 22 27 32 37 41 46 ;a=(20+40+60+80+100+120+140+160+180+200)/10a =110b=(4+8+13+18+22+27+32+37+41+46)/10b =24.8000w=(4)2+(8)2+(13)2+(18)2+(22)2+(27)2+(32)2+(37)2+(41)2+(46)2)/10 w =797.6000v=(202+402+602+802+1002+1202+1402+1602+1802+2002)/10v =15400t=(20*6+40*11-60*14+80

8、*20+100*24+120*30+140*36+160*43+180*49+200*56)/10t =3926%非线性度 YY=(t-a*b)/sqrt(v-a2)*(w-b2) Y =1.5435拟合度计算 p,S = polyfit(x,y,1)p =0.2352 -1.0667S =R: 2x2 double5df: 8normr: 0.9079p,S,mu = polyfit(x,y,1)p =14.2391 24.8000S =R: 2x2 doubledf: 8normr: 0.9079mu =110.000060.5530SSy= 255.8900RSS =2.1855i=(S

9、Sy-RSS)/SSyi =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 U02EK 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。

10、 R1、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 S2U W，非线性误差 f2。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)20406080100120140160180200电压（ mv)-9-18-27-36-46-55-64-73-83-92结合

11、MATLAB相关知识7代码和作图t=20 40 60 80 100 120 140 160 180 200;r=-9 -18 -27 -36 -46 -55 -64 -73 -83 -92;aa=polyfit(t,r,1);a=aa(1),b=aa(2),a =-0.4621b =0.5333 syms T,R=a*T+bR =-61/132*T+1200959900632211/2251799813685248y=polyval(aa,t);plot(t,r,r*),hold on,plot(t,y,b-),hold offlegend(数据点（ ri,Ri ） ,拟合直线 R=a*T+b

12、),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

13、始阻值： R1R2R3 R4，其变化值 R1R2 R3R4时，其桥路输出电压 U03KE。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)20406080100120140160180200电压 (mv)-18.7-38.1-57.5-76.6-95.8-114.5-134.1-153.2-173.5-190.910在 MATL

14、AB 中进行一元线性拟合，代码及图形如下 ：x=20 40 60 80 100 120 140 160 180 200;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syx 表示输入变化量y 表示输出变化量，x在本题中 sU=(190.9-18.7)/9/20=0.957mv/gW非线性度的计算x=20 40 60 80 100

15、 120 140 160 180 200;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)/10a =11110b=(18.7+38.1+57.5+76.6+95.8+114.5+134.1+153.2+173.5+190.9)/10b = 105.2900w=(-18.7)2+(-38.1)2+(-57.5)2+(-76.6)2+(-95.8)2+(-114.5)2+(-134.1)2+(-153.2)2+(-173.5)2+(-

16、190.9)2)/10w =1.4126e+004v=(202+402+602+802+1002+1202+1402+1602+1802+2002)/10v =15400t=(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)/10t =1.4749e+004%非线性度 YY=(t-a*b)/sqrt(v-a2)*(w-b2)Y =1非线性度参数 总是在 0和1之间。 越接近于 1，数据的线形越好。 本题目中， 已经很接近于 1，这表明各数据点很好地在一条直线上

17、。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

18、.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)20406080100120140160180200电压 (mv)-19.7-40.0-60.0-79.9-99.9120.1140.1160.1180.0199.9在 MATLAB 中进行一元线性拟合，代码及图形如下：x=20 40 60 80 100 120 140 160 180

19、200;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)136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)+abs(140.1-140)+abs(160.1-160)+abs(180.

20、0-180)+abs(199.9-200)/10s =0.0900（ 2）平均相对误差d=s/20*100d =0.4500即相对误差为 0.45%（ 3）非线性误差计算S=abs(19.7-20)/200S =0.001514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 Ad 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 、 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（ 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

21、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152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

22、 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 f。在 MATLAB 中进行一元线性拟合，代码及图形如下 ：x=0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8;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syy 表示输出变化

23、量，x 表示输入变化量x在本题中 sUU 表示输出电压变化量，X 表示位移变化量。XX 都为 0.2mmU 112mv,U 215mv, U 3 20mv,U 415mv, U 59mv, U 6 18mv,U 7 14mv,U 815mv,U 918mvs160mv / mm,s275mv / mm,s3100mv / mm,s475mv/ mm, s545mv / mm,s690mv / mm,s770mv / mm,s875mv / mm,s990mv / mmS=81mv/mm非线性度的计算 x=0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8;y=-14

24、80 -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)/10a =0.9000b=(1480+1468+1453+1433+1418+1399+1381+1367+1352+1334)/10b =1.4085e+003v=(0.02+0.22+0.42+0.62+0.82+1.02+1.22+1.42+1.62+1.82)/10v =1.1400w=(-1480)2+(-1468)2+(1453)2+(1433)2+(1418)2+(-1399)2+(-1381)2+(-1367)2+(-1352)2+(-1334)2)/10w =1.9861e+006t=(1480*0.0+1468*0.2+1453*0.4+1433*0.6+1418*0.8+1399*1.0+1381*1.2+1367*1.4+135 2*1.6+1334*1.8)/1017t=1.2403e+003%非线性度 Y Y=(t-a*b)/sqrt(v-a2)*(w-b2)Y =-1.0087五、 思考题：设计利用 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