传感器实验报告

传感器原理及应用实验报

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， 并掌握单臂电桥工作原理和性能。

二、 基本原理:

1、 应变片的电阻应变效应

所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为 r、材料的电阻率为ρ 时，根据电阻的定义式得

R??L/A??L/(?r^2) （ 1—1）

当导体因某种原因产生应变时，其长度 L、截面积 A 和电阻率ρ 的变化为 dL、dA、 dρ相应的电阻变化为 dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R 为： dR/R?dL/L?2dr/r?d?/? （1—2）

式中：dL/L 为导体的轴向应变量εL;dr/r 为导体的横向应变量εr。由材料力学得：εL= -μεr(1—3)，式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得：dR/R?(1?2?)??d?/?（1—4）式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。 2、 应变灵敏度

它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 金属导体的应变灵敏度 K：主要取决于其几何效应；可取 dR/R?(1?2?)? （ 1—5）

其灵敏度系数为：dR/(?R)?(1?2?)

K?dR/(?R)?(1?2?)

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。 3、箔式应变片的基本结构

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。

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，与丝式应变片工作原理相同。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。 4、 箔式应变片单臂电桥实验原理图

对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。

三、需用器件与单元：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：

1、 根据图(1-3)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。

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，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，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端 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。

3、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模块内已连接好)，接好电桥调零电位器 Rw1，接上桥路电源± 4V(从主控箱引入)如图1 -4所示。合上主控箱电源开关。调节 Rw1。

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砝码加完。记下实验结果填入表，关闭电源。 5、 根据表计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW(Δu 输出电压变化量；

Δ W重量变化量)计算线性误差：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。 五、 实验数据：

重量(g) 0 电(mv) 压0 20 3.1 40 6.2 60 9.3 80 100 120 140 160 180 200 12.5 15.6 18.7 22.0 25.2 28.4 31.5 由上图可知： 平均电压变化量：

?u?((18.7-3.1)/5+(22.0-6.2)/5+(25.2-9.3)/5+(28.4-12.5)/5+(31.5-15.6

)/5)/5=3.164mv

由图 6-2 可以看出一次绕组的电流为：二次绕组的感应动势为：

由于二次绕组反向串接， 所以输出总电动势为：

其有效值为：

差动变压器的输出特性曲线如图 6-3 所示.图中 E21、 E22 分别为两个二次绕组的输出感应电动势， E2 为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中 E2 的实线表示理想的输出特性， 而虚线部分表示实际的输出特性。 E0 为零点残余电动势， 这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。 零点残余电动势的存在， 使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差， 此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

三、需用器件与单元：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：

1、 根据图 6-4， 将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

2、 在模块上按图6-5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，输出频率为4～5KHz(可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值Vp-p=2V(可用示波器监测：X 轴为0.2ms/div、Y轴CH1 为1V/div、CH2为20mv/div)。 判别初次级线圈及次级

线圈同名端方法如下：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 6-5 接线。当铁芯左、右移动时， 观察示波器中显示的初级线圈波形，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(Lv 音频信号 Vp-p=2V 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。图中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的实验插孔。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰一峰值Vp-p 为最小。这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一方向位移为负。从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值填入下表中。再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

4、实验过程中注意差动变压输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据实验数据画出Vop-p-X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

五、实验数据

位移(mm) 电压(mv) -1.2 284 -1.0 240 -0.8 192 -0.6 144 -0.4 96 -0.2 48 0 12 位移(mm) 电压(mv) 0.2 52 0.4 100 0.6 148 0.8 196 1.0 240 1.2 284 由表可得零点残余电压为12mv。 1、Vop-p-X曲线

2、量程为±1mm的拟合曲线

3、量程为±3mm的拟合曲线

由于实验测量时只测到量程为±1.2mm的数据，所以只绘制了量程为±1.2mm的拟合曲线。

4、灵敏度和非线性误差

拟合直线的斜率即为灵敏度s，由公式δf1=Δm/yF·S×100%可算出非线性误差。数据如下：

0-1mm 0-3mm 灵敏度 231.43 230.00 非线性误差 1.349% 1.207% 六、思考题：

1、 用差动变压器测量较高频率的振幅， 例如 1KHz 的振动幅值， 可以吗？差动变压器测量频率的上限受什么影响？

不可以。受铁磁材料磁感应频率响应上限影响。原则上来说没影响，因为即使磁材料不响应的高频，线圈本身的磁场还是有互感现象，只不过早已偏离了线性区域了，得到的结论也不准了，需要修正才行。 2、 试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

差动变压器一般用于作为检测元件，而一般变压器一般作为电源变换部件或者信号转换部件。差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及铁芯组成，。当传感器随着被测物体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使

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