传感器实验指导书

传感器与检测技术实验指导教师：xx 实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 (2)实验二金属箔式应变片-全桥性能实验及电子秤实验..6实验三电容式传感器的位移特性实验 (10)实验四PtIOO热电阻测温实验 (13)实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验实验目的: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。

基本原理:金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻 应变效应。

金属的电阻表达式为：R -（ 1） 当金S属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长l ，横截面积相应减小 S ，电阻率因晶格变 化等因素的影响而改变.”，故引起电阻值变化 R 。

对式（1）全微分，并用相对变化（2） 式中的:||为电阻丝的轴向应变，用&表示，常用单位曲（1氏=1X 10厘口%口）。

若径向应变为也%， 电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比■表示为计「=7 （=|| ），因为S S =2（占%），贝9（ 2）式可以写成：式（3）为“应变效应”的表达式。

k o 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k o 受两个因素影响，一个是（1 + 2」），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是"（二）， 是材料的电阻率P 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k o : 1 - ，对半导体，k o 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 k 0=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 £，而根据应力应变关系（4）式中（T ——测试的应力；量来表示，则有:兰（12「二匸十日PA l l l l(3)E——材料弹性模量。

可以测得应力值①。

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。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、土15V电源、土5V电源、万用表（自备）。

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，R仁R2=R3=R4=350Q。

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接上桥路电源土5V,此时应将土5V地与土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图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图重量(g) 正行 02040 6080100 120 140 160 180 200电压(mv) 程1重量(g) 反行 02040 6080100 120 140 160 180 200电压(mv) 程1重量(g) 正行 02040 6080100 120 140 160 180 200电压(mv) 程II重量(g) 反行 02040 6080100 120 140 160 180 200电压(mv)程II5、根据表1— 1计算系统灵敏度、非线性误差端基法或最小二乘法、迟滞误差和重 复性误差。

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、 电桥的电压为土 5V ，绝不可错接成土 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RWi RW:R#K 0-RR■s lrts（3）正、负应变片均可以。

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。

实验二金属箔式应变片-全桥性能实验及电子秤实验一、实验目的：了解全桥测量电路的原理及优点。

了解应变直流全桥的应用及电路的标定。

二、基本原理：半桥测量电路中，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。

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△ R1 =△ R2= A R3= A R4时，其桥路输出电压U o3= KE &。

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。

电子秤实验原理为利用全桥测量原理，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）即成为一台原始的电子秤。

三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、土15V电源、土5V电源。

四、实验内容与步骤：（一）、半桥性能实验1、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，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。

2、根据图2-1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。

接入桥路电源土5V ，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验中的步骤4、5,将实验数据记入表2-1。

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2-1 应变式传感器半桥实验接线图表-半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)二、全桥性能实验根据图2-2接线，实验方法与实验一相同，注意保持RW2的位置不动。

将实验结果填入表2-2;进行灵敏度和非线性误差计算。

表2 —2全桥输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)4£放大吐路Ri Rz Ri R」4 I际350 幻350I0K1RWJWK图2-2应变式传感器全桥实验接线图(三)电子秤实验利用全桥测量原理，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)即成为一台原始的电子秤1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图2-2全桥接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw l，使数显表显示0.000V( 2V档)。

2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2 (增益即满量程调节)使数显表显示为0.200V或一0.200V。

3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1 (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2-3。

表2 —3电桥输出电压与加负载重量值重量(g)正行程020406080100120140160180200电压(mv)重量(g)反行程020406080100120140160180200电压(mv)Ji OK魅350 / 350 Q 1 J—»~~I I―ORiniOK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、 电桥的电压为土 5V ,绝不可错接成土 15V 。

六、思考题:1、全桥测量中，当两组对边（R i 、R 3为对边）值R 相同时，即R i = R 3, R2= R 4, 而R i M R 2时，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4F图2-3 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、 根据所记录的数据绘制出传感器的特性曲线。

2、 计算并比较半桥、全桥输出时的灵敏度、非线性度和迟滞误差，并从理论上加 以分析比较，得出相应的结论。

3、 分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏 度，应采取哪些措施。

呂呂3 4RR实验三电容式传感器的位移特性实验、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点 、基本原理:利用平板电容C = & S /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&、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（&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I ――外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;◎ R ——外圆筒内半径和内圆柱外半径当两圆筒相对移动I 时，电容变化量 C 为于是，可得其静态灵敏度为:心 c 1|2 瓏(I +d) 2 瓏(I —$)1皿 4 瓏--------------------------- = ------------- / 4 =△I |_ In (% ) In (人)一 In 巴) 可见灵敏度与r2r i ，有关，「2与A 越接近，灵敏度越高，虽然内外极筒原始覆盖长度 I 与灵 敏度无关，但I 不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。