传感器原理实验指导书

传感器原理实验指导书

孙红鸽、曹毅

实验一模拟称重电子秤电路设计及精度分析

一、实验性质：综合性实验项目

二、实验目的

在该实验中，学生采用“金属箔式应变片”传感器完成“模拟电子秤”的实验，通过不同的应变片粘贴方法，改进对应的电路，分析不同情况下电子秤的测量精度，并提出改进方向。该实验可应用性强，扩展学生的视野，有利于提高学生综合实验能力。

三、基本原理

1、模拟电子秤原理

电阻应变式模拟电子秤是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

2、电阻应变效应

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为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化。

3、单臂电桥

对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。（E为供桥电压）。

4、半桥电桥

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=EKε/ 2，比单臂电桥灵敏度提高一倍。

5、全桥电桥

全桥测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压U03=KEε，比半桥灵敏度又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。

四、基本元器件

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。

五、实验要求与步骤

实验要求：

1、了解金属箔式应变片单臂、半桥、全桥电桥的特点；

2、提出并设计基于金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的电子秤称重测量电路原理图；

3、完成金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的称重实验；

4、根据测量结果，分析半桥、全桥的输出电压与负载重量的关系，计算系统的灵敏度S及非线性误差δ，比较全桥、半桥、单臂电桥的不同性能，确定电子秤称重测量电路；

5、电子秤电路标定

6、实验报告：实验做完后，每个学生应该及时完成实验报告，并认真分析思考题；

实验步骤：

1、差动放大器调零。方法是用导线将差动放大器的正负输人端与地端连接，然后将输出端接到电压表的输人端Vi，将实验模板上差动放大器增益旋钮R w3调节到大约中间位置。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，调节实验模板上的调零电位器R w4使电压表指示为零（电压表为2V档），完毕后关闭主控箱电源。

2、提出并设计基于金属箔式应变片单臂、半桥、全桥的电子秤称重测量电路原理图。

3、按照设计好的实验电路接线。将直流稳压电源打到合适的档位，参考前面实验一至实验四进行实验，将获得的实验数据填入表15中。

表 1 输出电压与负载重量的关系

重量（g）0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

单臂输出电压（mv）

半桥输出电压（mv）

全桥输出电压（mv）

4、根据获得的实验数据进行分析、比较，确定电子秤称重测量电路。

5、根据确定的测量电路连接电路并标定。标定步骤如下：

1）、按图4全桥接线，电压表置2V档，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，并细调Rw4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，调节增益电位器Rw3(即满量程调整)，使数显表显示为0.200V或-0.200V。

3）、拿去所有砝码，再次调零。

4）、重复2、3步骤的标定过程，一直到满量程显示0.200V，空载时显示0.000V为止，把电压量纲V改为重量量纲g，即成为一台原始的电子秤。

5）、把砝码依次放在托盘上，将相应的电压表数值填入表16：

表 2 输出电压与负载重量的关系

重量（g）

电压（mv）

6、在应变梁处加一未知重物，记录电压的读数，对照定标曲线确定该重物的质量。

7、检验电子秤的温度特性。其步骤如下：

1）、保持电子秤接线不变。

2）、将200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一数值Uo1。

3）、将主控箱上+5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔，数分钟后待数显电压表显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1即为温度变化对电子秤测量的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。

8、实验完毕，整理实验台。

9、实验数据处理、分析，实验总结。

六、思考题

1、单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。

2、半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？

3、全桥测量中，当两组对边(R1、R3)电阻值相同时，即R1= R3, R2= R4,而R1≠R2时，是否可以组成全桥：(1)可以，(2)不可以。

4、有时候把重物全拿下来，电压表并不为零，为什么？

5、称重时，电压表的示数为什么不稳定？

实验二差动变压器的性能实验

一、实验目的：

1、了解差动变压器的工作原理和特性。

2、熟悉数字示波器的使用。

二、基本原理：差动变压器由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。在传感器的初级线圈上接入高频交流信号，当初、次中间的铁芯随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感磁通量发生变化促使两个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，将两只次级线圈反向串接(同名端连接)，在另两端就能引出差动电势输出，其输出电势的大小反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器，音频振荡器、直流稳压电源、数字电压表。

四、实验步骤

1、根据图 1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图 1 差动变压器安装示意图

2、在模块上如图 2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率旋钮，输出频率为4～5KHz(可用主控箱的数显频率表来监测调节幅度旋钮使输出幅度为Vp-p=2V~5V之间，(可用示波器监测），将差动变压器的两个次级线圈的同名端相连。注：判别初次级线圈及次级线圈同名端的方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图 2接线。当铁芯左、右移动时，分别观察示波器中显示的初、次级线圈波形，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级圈波形比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别，直到正确为止。图 2中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的实验插座。