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、实验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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。

三、实验器材应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。

四、实验步骤实验中用到的应变传感器实验模板连接图如图 1 应变式传感器单臂电桥实验连接图图1所示。

图 1 应变式传感器单臂电桥实验连接图安装传感器，将IC1和IC2的同相端接地后，调节Rw4使得数显表显示为0后（即将差动放大器调0），再将电路的电桥部分按图中所示接入电路后，调节Rw1，使数显表为0。

然后在电子称上放置砝码读取数显表的数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。

五、 实验结果与分析实验结果如表格 1所示。

表格 1 单臂电桥性能实验数据记录表由以上实验结果知：平均电压变化量：∆u=[(28.5-4.6)/5+(33.3-8.8)/5+(37.7-14.2)/5+(42.5-18.8)/5+(47.3-23.6)/5]/5≈4.77mv 平均重量变化量：∆W=20g系统灵敏度：S1=∆u/∆W=0.2386mv/g 线性误差：1/100%f F s m y ∙δ=∆⨯=≈0.67%-六、 思考题单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片的选用时正、负应变片均可使用，换成负应变片时，所得的电压值为负值，需做一定的变换后方能比较直观。

七、 总结与感想本次实验让我了解了应变片的以及单臂电桥的工作原理，并对单臂电桥的性能有了一个定量的了解，这对后续学习将会有较大帮助。

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。

二、实验原理不同受力方向的两片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。

当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。

三、实验器材同实验一。

四、实验步骤同实验一，将差动放大器调0，电桥部分如图2所示，其他与实验一同。

图 2 半桥实验接线图接入电源，调节调零电位器Rw1进行桥路调零，然后在电子称上放置砝码读取数显表的数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。

五、实验结果与分析实验结果如表格2所示。

表格 2 半桥性能实验数据记录表由以上实验结果知：输出电压变化量的平均值：∆u=[(-56.3+9.0)/5+(-65.2+18.5)/5+(-75.1+28.1)/5+(-84.4+37.2)/5+(-95.4+46.6)/5]/5=-9.48mv 平均重量变化量：∆W=20g系统灵敏度：S2=∆u/∆W=-0.474mv/g。

非线性误差：2/100%f F s m y ∙δ=∆⨯≈0.59%。

六、 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，应放在邻边，因为这样可以保证电桥输出电压值达到最大，若在对边，则得到的输出电压值最小。

2、桥路测量时存在非线性误差，是因为应变片应变效应是非线性的，其中单臂桥路的非线性还与其测量方法有关。

七、 总结与感想本实验让我对半桥电路有了较为深刻的了解，与实验一的单臂电桥相比起线性误差减小了。

实验三 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优点。

二、 实验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=KE ε。

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、 实验器材同实验一。

四、 实验步骤安装传感器，将差动放大器调零，电桥部分如图 3所示，其他与实验一同。

图 3 全桥实验线路图接入电源，调节调零电位器Rw1进行桥路调零，然后在电子称上放置砝码读取数显表的数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值。

五、 实验结果与分析实验结果如所示。

表格 3 全桥性能实验数据记录表输出电压变化量的平均值：∆u=[(-113.0+19.0)/5+(-131.9+37.8)/5+(-151.0+56.8)/5+(-169.8+75.4)/5+(-190.9+94.1)/5]/5=-18.94mv平均重量变化量：∆W=20g系统灵敏度：S3=∆u/∆W=-0.947mv/g 。

非线性误差：3/100%f F s m y ∙δ=∆⨯≈0.154%。

六、 思考题1、 全桥测量中，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，仍可组成全桥，但在电路处理时需注意偏移量的存在。

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，如图 4所示，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 4 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图答：若按第一组应变片的贴法，则在材料被拉时，应变片的阻值都是增大的，若用这些电阻应变片组成电桥，则需要外加电阻组成电桥，选取R2和R3作为电桥的对边，领取两个阻值与未收拉力时应变片阻值相等的电阻作为另外两边组成电桥；若按第二组应变片的贴法，则在材料被拉时，R1和R2的阻值减小，R3、R4的阻值增大，则无需外加电阻即可组成电桥，即将R3和R4放于对边，R1和R2放于对边即可。

七、总结与感想本实验让我对全桥电路有了深刻的了解，为我今后学习传感器的应用将会有着较大的帮助。

实验四金属箔式应变片单臂、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、实验步骤根据实验一、二、三所得的数据，在同一坐标系中分别作出单臂、半桥和全桥的电压/重量输出曲线，分别计算其灵敏度和非线性度，并从理论上进行论证三、 实验结果与分析为得到正确结果，故将实验一、实验二和实验三的输出电压均取绝对值，并用matlab 画出曲线得到如图 5所示的曲线图。

图 5 实验一、二、三的电压/重量输出曲线由实验一、二、三的结果分析知： 系统灵敏度：|S1|=∆u/∆W=0.2386mv/g ，|S2|=∆u/∆W=0.474mv/g ，|S3|=∆u/∆W=0.947mv/g非线性度：1/100%f F s m y ∙δ=∆⨯≈0.67%-，2/100%f F s m y ∙δ=∆⨯≈0.59%， 3/100%f F s m y ∙δ=∆⨯≈0.154%。

由以上结果知单臂电桥的灵敏度和线性度均为最低，而全桥电路的灵敏度和线性度均为最高。

理论分析： 当R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7时，在单臂电桥中，由于只有一个电阻为应变片，即电桥中只有一个变量，其输出由1151()2R R Uout U R R R +∆=-+∆+决定；半桥中，输出由2121()2R R Uout U R R -∆=-+决定；全桥中，输出由122()RUout U R R -∆=+决定。

故有在单臂时，非线性在∆R 越大则非线性越严重，且灵敏度较小，为半桥时，其非线性度相对于单臂桥路有所改善；由于全桥的互补作用，其线性度为三种桥路中最优，同时其灵敏度由于差动作用增大了一倍。

四、总结与感想本实验比较了单臂、半桥、全桥的性能，让我对于三种桥路的优缺点在比较中有了更深的认识，对我后续的学习将会有较大的帮助。

实验六直流全桥的应用——电子秤实验一、实验目的了解应变片直流全桥的应用电路的标定。

二、实验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)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。

三、实验器材应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、±15V电源、±4V电源。

四、实验步骤按实验一中的步骤将差动放大器调零，同实验三一样接成全桥形式，接入电源并调节电桥平衡电位器Rw1，使数显表显示为0v，然后将10只砝码全部置于传感器托盘上，调节电位器Rw3使数显表显示为200mv，之后拿去所有砝码，调节Rw4，使数显表显示为0.v，最后把砝码依次放在托盘上，记录数据。

五、 实验结果与分析实验结果如所示。

表格 4 全桥性能实验数据记录表其绝对误差的平均值为：（0+1+0+1+1+0+0+0+1+1）/10=0.5g 非线性度：/100%f F s m y ∙δ=∆⨯=0.25%。

分析产生误差的原因有传感器测量时数显表的精度引起测量误差，砝码的质量不是完全的精准也将导致测量误差。

六、 总结与感想本实验让我了解了电子称的标度过程，使得我在今后面对应用时能够据此有所联系，并最终将理论知识应用到实际作品当中，对我帮助将会很大。

实验十 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、 实验原理差动变压器同一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，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(同名端连接)，就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、实验器材差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器，音频信号源(音频振荡器)、直流电源、万用表。

四、实验步骤实验装置及其安装示意图如图6、图7所示。

图 6 差动变压器电容传感器安装示意图图7 双线示波与差动变压器连结示意图按图7所示在模块上连线，从主控箱中的Lv端输出音频振荡器信号，调节音频振荡器的频率，输出频率为4~5KHz。

调节幅度使输出幅度为峰峰值v（p-p）=2v。

之后旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰峰值最小，然后旋动测微头，使其左右移动，并每隔0.2mm从示波器上读出输出电压V（p-p）值。

五、实验结果与分析本实验输入信号未V（p-p）=2V，频率为4.5KHz的音频。

实验结果如表格5所示。

表格 5 差动变压器位移与输出电压数据记录表其差动变压器位移值与输出电压的关系曲线如图8所示。

图8 差动变压器位移值与输出电压的关系曲线其量程为±1mm和±3mm时，灵敏度为：（48.8-12.5+61.6-24.4+73.6-37.2）/3/(0.8-0.2)≈61.06mv/mm量程为±1mm时，非线性误差为：[（61.06*0.2+0.88-12.5）+（61.06*0.4+0.88-24.4）+（61.06*0.6+0.88-37.2）+（61.06*0.8+0.88-48.8）+（61.06*1+0.88-61.6）+（61.06*1.2+0.88-73.6）]/6/61.06≈0.99%.量程为±3mm时，非线性误差为：0.99%/3=0.33%。