电阻应变片的三个实验

第一章 传感器实验台介绍

ZY13Sens12SB传感器技术实验台由主控台、三源板（温度源、转动源、振动源）、18个传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等六部分组成。

一、实验台的组成

1、主控台部分：提供高稳定的±15V、＋5V、±2V±4V±6V±8V±10V可调及＋2V－＋24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有测电压、气压、频率、转速的数显表及计时表。音频信号源（音频振荡器）1kHz~10kHz（可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz~30Hz(可调)；气压源0－20kpa可调；高精度温度转速两用仪表（控制精度±0.5℃），RS232计算机串行接口；流量计；漏电保护器。其中电源、音频、低频、均具有断电保护功能。±2V±4V±6V±8V±10V电源与其它电源、信号Fin、Vin部分不共地。如果与其它电源同时使用时，应将其共地。因断路无输出重新开机即恢复正常。调节仪置内为温度调节、置外为转速调节。

2、三源板：装有振动源1Hz－30Hz（可调）；旋转源0－2400转／分（可调）；加热源常温＜150℃（可调）。

3、传感器：包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、霍尔转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八种。 

4、实验模块部分：应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／滤波十个模块。 

5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用12位A／D转换、采样速度1500点／秒，采样速度可以选择，既可单独采样亦能连续采样。标准RS232接口，与计算机串行工作。具有网络监控功能和用户认证功能；提供的处理软件有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。

二、电路原理

传感器模块电路原理图见模块正面

三、使用方法

1、开机前将转速调节旋钮调到中间位置，显示选择旋钮打到2V档，电压选择打到±2V档，其余旋钮均打到中间位置。

2、将220V的电源线插头插入市电插座，接通开关，电源指示灯亮，计时器指示为4个零，数字显示0.000或－0.000，电压指示灯亮，表示实验台电源工作正常。

3、每个实验前应先阅读实验指导书，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到直流电源时，应将该电源调到实验值时在接到实验线路中），检查无误后方可接通主电源。

4、数据采集卡及处理软件的使用方法详见《软件使用说明书》。

5、打开调节仪电源开关、调节仪表头PV显示测量值，SV显示设定值。

6、打开气源开关，气源口有声响，说明气压泵工作正常。

四、仪器维护及故障排除

1、维护

（1）防止硬物撞击划伤实验台面及防止模块线路跌落。

（2）做完实验后要将模块、传感器、配件及连线全部整理好。

（3）搭接线路时应断开电源，以防误操作损坏器件。

（4）避免在过潮或温度过高的环境中使用本仪器。

2、故障排除

（1）开机无指示、无数显，应检查电源是否接通、保险丝是否烧断。

（2）转动源不转、应检查转速调节是否有输出，如有输出更换转动电机，如无输出更换电源板。

（3）振动源如无振动，先检查低频振荡器是否有输出，如无输出应更换低频振荡器信号板，如有输出更换振荡线圈。

五、随机附件

 随机附件详见《产品配件清单》。

六、注意事项

1)在更换连接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。

2)严禁将电源、信号源输出插座和地短接，时间长易造成电路元件损坏。

3)严禁将主控台上±15V电源引入模块时接错。

4)严禁用酒精或其它具有腐蚀性物质擦洗面板，以防示意图擦掉。

5)本实验台的各个部分都是相配套使用的，请勿调换。

6)实验完毕后，请将传感器以及电路模块放回原位。

7)如果本实验长期未通电使用，在使用前应先预热，建议做实验前按一次漏电保护按钮。

8)做实验前务必仔细阅读实验指导书，尤其仔细阅读每个实验指导中的实验注意事项。

第二章 传感器实验台实验指导

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，单臂电桥的工作原理和性能。

二、实验内容

 了解金属箔式应变片单臂电桥的工作原理和工作情况。

三、实验仪器

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：式中为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,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。

五、实验注意事项

1、差放调零完成后，应将差放的线拆掉，再按图1－2接线做实验。

六、实验步骤

1、了解所需单元、部件在模块所在的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。

2、如图（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。

3、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逆时针旋到底，预热五分钟，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Vin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）。关闭主控台电源。

图1－1  应变式传感器安装示意图

图1－2  应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、拆掉差放调零的连接线，即将差放正、负输入对地短接的线拆掉。

5、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±4V（从主控台引入）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。（数显表的切换开关打到2V档）

6、在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到十个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。（实验结论：1、理论上每增加一个砝码，电压的增量应该相等，但实际上由于实验存在着一定的误差，电压值的增量可能不完全相等，只要电压增量值的偏差不大则可认为实验数据是正确的2、按图1－2接线时电压输出值可能为负值，负值并不影响实验线性度，也能填入实验表格，如果想得到正值，只需图将图1－2差放的输入互换即可）。

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

7、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。

七、实验报告

在实验报告中填写《实验报告一》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

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；（3）正、负应变片均可以。

答：正、负应变片均可以。

2、本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？

答：直流电源要稳定；放大器零漂要小。

实验二  金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的

1、验证半桥的的特点和性能。

2、比较单臂、半桥输出时灵敏度的关系并得出相应的结论。

二、实验内容

金属箔式应变片——半桥的特点和性能。

三、实验仪器

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、实验原理

已知半桥的∑R分别为，根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于，于是对应半桥的电压灵敏度分别为。

五、实验注意事项

 1、应变片R2应和R1受力状态相反，即一片受拉，一片受压。

2、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。

3、差放调零完成后，应将差放的线拆掉，再按图2－2接线做实验。

六、实验步骤

1、了解所需单元、部件在模块所在的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。

2、如图（2－1）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。

3、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逆时针调到最大，预热五分钟，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Vin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）。关闭主控台电源。

4、拆掉差放调零的连接线，即将差放正、负输入对地短接的线拆掉。

5、根据图2－2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，调节电桥电位器RW1，使数显表显示为0.000。（数显表的切换开关打到2V档）。

   图2－1  应变式传感器安装示意图

图2－2  应变式传感器半桥实验接线图

6、在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到十个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。（实验结论：1理论上每增加一个砝码，电压的增量应该相等，但实际上由于实验存在着一定的误差，电压值的增量可能不完全相等，只要电压增量值的偏差不大则可认为实验数据是正确的2、按图2－2接线时电压输出值可能为负值，负值并不影响实验线性度，也能填入实验表格，如果想得到正值，只需图将图2－2差放的输入互换即可）。

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

7、根据上表计算系统灵敏度S2＝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。

七、实验报告

在实验报告中填写《实验报告二》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

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。

答：邻边。

实验三  金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

1、验证全桥的的特点和性能。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时灵敏度的关系并得出相应的结论。

3、了解全桥测量电路的优点。

二、实验内容

金属箔式应变片——全桥的特点和性能。

三、实验仪器

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。已知单全桥电路的∑R分别为。根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于，于是对应全桥的电压灵敏度为。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。由此可见，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。

五、实验注意事项

1、遵循将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，相反的接入邻边的原则。

2、差放调零完成后，应将差放的线拆掉，再按图3－2接线做实验。

六、实验步骤

1、了解所需单元、部件在模块所在的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。

2、如图（3－1）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。

3、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逆时针调到最大，预热五分钟，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Vin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）。关闭主控台电源。

4、拆掉差放调零的连接线，即将差放正、负输入对地短接的线拆掉。

                     

图3－1  应变式传感器安装示意图

图3－2  全桥性能实验接线图

5、根据图3－2接线。R1、R2、R3、R4为实验模板左上方的应变片，注意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。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1，使数显表显示为0.000。（数显表的切换开关打到2V档）。

6、在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到十个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。（实验结论：1、理论上每增加一个砝码，电压的增量应该相等，但实际上由于实验存在着一定的误差，电压值的增量可能不完全相等，只要电压增量值的偏差不大则可认为实验数据是正确的2、按图3－2接线时电压输出值可能为负值，负值并不影响实验线性度，也能填入实验表格，如果想得到正值，只需图将图3－2差放的输入互换即可）。

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

7、根据上表计算系统灵敏度S3＝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。

七、实验报告

在实验报告中填写《实验报告三》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

如果不考虑应变片的受力方向，结果会怎样？

答：电路无输出或输出很小。

 

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

1、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度并得出相应的结论。

二、实验内容

金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较。

三、实验仪器

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、实验原理

已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为、、。根据戴维南定理可以得出单臂电桥的输出电压近似等于，于是对应半桥和全桥的电压灵敏度分别为和。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

五、实验注意事项

1、当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变，确保三组数据在相同状态下测得。

2、差放调零完成后，应将差放的线拆掉，再分别按图4－2、4－3、4－4接线做实验。

六、实验步骤

1、了解所需单元、部件在模块所在的位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。

2、如图（4－1）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。

3、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逆时针调到最大，预热五分钟，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Vin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）。关闭主控台电源。

4、拆掉差放调零的连接线，即将差放正、负输入对地短接的线拆掉。

5、将实验模板调节增益电位器RW3逆时针旋到底，按图4－2接成单臂电桥电路。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±4V（从主控台引入）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0.000。（数显表的切换开关打到2V档）

图4－1  应变式传感器安装示意图

6、在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到十个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。（实验结论：1、理论上每增加一个砝码，电压的增量应该相等，但实际上由于实验存在着一定的误差，电压值的增量可能不完全相等，只要电压增量值的偏差不大则可认为实验数据是正确的2、按图4－1接线时电压输出值可能为负值，负值并不影响实验线性度，也能填入实验表格，如果想得到正值，只需图将图4－1差放的输入互换即可）。

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

             表4－1 应变传感器单臂电桥V－g关系表

 图4－2   应变式传感器单臂电桥实验接线图

7、拆掉模块所有连线，RW3、RW4保持不变。按图4－3接成半桥电路，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，调节电桥电位器RW1，使数显表显示为0.000。（数显表的切换开关打到2V档）。

  图4－3应变式传感器半桥实验接线图

8、在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到十个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。（实验结论：理论上每增加一个砝码，电压的增量应该相等，但实际上由于实验存在着一定的误差，电压值的增量可能不完全相等，只要电压增量值的偏差不大则可认为实验数据是正确的，而且对应重量的情况下，本实验中输出的电压值大致为表格4－1电压值的2倍则表示实验结论正确）。

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

                表4－2  应变传感器半桥V－g关系表

9、拆掉模块所有的连线，RW3、RW4保持不变。按图4－3接成全桥电路。R1、R2、R3、R4为实验模板左上方的应变片，注意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。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1，使数显表显示为0.000 。（数显表的切换开关打到2V档）。

10、在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到十个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。（实验结论：理论上每增加一个砝码，电压的增量应该相等，但实际上由于实验存在着一定的误差，电压值的增量可能不完全相等，只要电压增量值的偏差不大则可认为实验数据是正确的，而且对应重量的情况下，本实验中输出的电压值大致为表格4－1电压值的4倍则表示实验结论正确）。

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

                 表4－3应变传感器全桥V－g关系表

 

                      

 图4－4  全桥性能实验接线图

11、根据表4－1、4－2和4－3推断三种电路情况下的灵敏度。

七、实验报告

在实验报告中填写《实验报告四》，详细记录实验过程中的原始记录（数据、图表、波形等）并结合原始记录进一步理解实验原理。

八、实验思考题

单臂电桥、半桥、全桥的灵敏度有何关系？

答：近似于1：2：4

单臂工作情况：只有一只应变片接入电桥，设R1为接入的应变片，测量时的变化为△R。其输出端电压为；通常情况下△R≤R，所以；由电阻应变效应则上式可写成。

半桥工作：有两只应变片接入电桥的相邻两支桥臂。并且两只桥臂的应变片的电阻变化大小相同而方向相反。则其输出端电压为。

全桥工作：有4只应变片接入电桥。并且差动工作，则有。

结论：对比电桥的三种工作方式可见，用直流电桥做应变片的测量电路时，电桥输出电压与被测应变量成线性关系；而在相同条件下，全桥工作时输出的电压最大，检测的灵敏度最高。三种电桥的灵敏度比为：：＝1：2：4。