传感器原理及工程应用学生实验指导书

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《传感器原理及应用》

实 验 指 导 书

测控技术实验室 2012年9月

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实验1 金属箔式应变片 （一）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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。

三、实验设备：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。

四、实验方法和要求：

1、根据图1—1－1应变式传感器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

图1－1－1 应变式传感器安装示意图

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）。

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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）如图1－1—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。

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500 g）砝码加完。记下实验结果填入下表，关闭电源。

图1－1—2应变式传感器单臂电桥实验接线图

重量(g) 电压(mv) 根据上表计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/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）。

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。

（二）半桥性能实验

一、实验目的：

1、加深了解金属箔式应变片的应变效应，半臂电桥工作原理和性能；

2、比较半桥与单臂电桥的不同性能和特点。

二、实验原理：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UO2＝EKε／2。

三、实验设备：同实验（一）。

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四、实验方法与要求：

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1－2—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±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验方法3、4同实验（一）中4、5的方法，将实验数据记入下表，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。

图1－2—1应变式传感器半桥实验接线图

3、下表是半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量 电压 五、思考题：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。

（三）全桥性能实验

一、实验目的：

1、掌握金属箔式应变片的应变效应，全桥工作原理和性能；

2、比较、总结三种测量电路输出时的灵敏度和非线性度。

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，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。

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三、实验设备：同实验（一） 四、实验步骤：

传感器安装同实验一。

根据图1－3—1接线，实验方法与实验（二）相同。将实验结果填入下表；进行灵敏度和非线性误差计算。

图1－3—1全桥性能实验接线图

全桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量 电压 五、思考题：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，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。

实验2

（一）压阻式压力传感器的压力测量实验

一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。

二、实验原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压

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