感測器原理及應用實驗報告
實驗一金屬箔式應變片——單臂電橋效能實驗
一、 實驗目的:了解金屬箔式應變片的應變效應， 並掌握單臂電橋工作原理和效能。
二、 基本原理:
1、 應變片的電阻應變效應
，這一物理現象稱為「電阻應變效應」。以圓柱形導體為例：設其長為：l、半徑為 r、材料的電阻率為ρ 時，根據電阻的定義式得
1—1）
當導體因某種原因產生應變時，其長度 l、截面積 a 和電阻率ρ 的變化為 dl、da、 dρ相應的電阻變化為 dr。對式（1—1）全微分得電阻變化率dr/r 為：
（1—2）
式中：dl/l 為導體的軸向應變數εl;dr/r 為導體的橫向應變數εr。由材料力學得：
εl= -μεr(1—3)，式中：μ為材料的泊松比，大多數金屬材料的泊松比為0.3～0.
5左右；負號表示兩者的變化方向相反。將式（1—3）代入式（1—2）得：（1—4）式（1—4）說明電阻應變效應主要取決於它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。
2、 應變靈敏度
它是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量。 金屬導體的應變靈敏度 k：主要取決於其幾何效應；可取
1—5）
其靈敏度係數為：
金屬導體在受到應變作用時將產生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。
3、箔式應變片的基本結構
金屬箔式應變片是在用苯酚、環氧樹脂等絕緣材料的基板上，貼上直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔製成，如圖1—1所示。
金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝製成的應變敏感元件，與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關係式為：δr／r＝kε 式中：
δr／r為電阻絲電阻相對變化，k為應變靈敏係數,ε =δl/l為電阻絲長度相對變化。
4、 箔式應變片單臂電橋實驗原理圖
對單臂電橋輸出電壓u01=ekε/4。
三、需用器件與單元：應變式感測器實驗模板、應變式感測器、砝碼、數顯表、±15v電源、±4v電源、萬用表(自備)。
四、 實驗步驟：
1、 根據圖(1-3)應變式感測器已裝於應變感測器模板上。感測器中各應變片已接入模板的左上方的r1、r2、r3、r4。加熱絲也接於模板上，可用萬用表進行測量判別，r1=r2=r3=r4=350ω，加熱絲阻值為50ω左右。
2、接入模板電源±15v(從主控箱引入)，檢查無誤後，合上主控箱電源開關，將實驗模板調節增益電位器 rw3 順時針調節大致到中間位置，再進行差動放大器調零，方法為將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數顯表電壓輸入端 vi 相連，調節實驗模板上調零電位器 rw4，使數顯表顯示為零(數顯表的切換開關打到2v 檔)。關閉主控箱電源。
3、將應變式感測器的其中乙個應變片r1(即模板左上方的 r1)接入電橋作為乙個橋臂與r5、r6、r7接成直流電橋(r5、r6、r7模組內已連線好)，接好電橋調零電位器 rw1，接上橋路電源± 4v(從主控箱引入)如圖1 -4所示。合上主控箱電源開關。調節 rw1。
4、在電子稱上放置乙隻砝碼，讀取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，直到 200g砝碼加完。記下實驗結果填入表，關閉電源。
5、 根據表計算系統靈敏度s，s=δu/δw(δu 輸出電壓變化量；
δ w重量變化量)計算線性誤差：δf1=δm/yf·s× 100%式中δm 為輸出值(多次測量時為平均值)與擬合直線的最大偏差，yf·s滿量程輸出平均值。
五、 實驗資料：
由上圖可知：
平均電壓變化量：
((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
平均重量變化量： 20g
系統靈敏度：s=δ u/δ w=3.164mv/20g=0.1582mv/g
線性誤差：
擬合直線為：δ u=0.1579δ w
0.240mv，yf· s=31.58mv
δf1=δm/yf·s× 100%≈0.785%
6、 思考題：
單臂電橋時，作為橋臂電阻應變片應選用：正、負應變片均可以。使用負應變片時，所得電壓為負值，需要做一定的變換才後比較直觀。
7、 總結：
通過這次實驗，我了解金屬箔式應變片的應變效應,掌握單臂電橋工作原理和效能，並了解了電子秤的工作原理，對敏感元件有了一定的認識。
實驗二金屬箔式應變片——半橋效能實驗
一、實驗目的：比較半橋與單臂電橋的不同效能，了解其特點。
二、基本原理：不同受力方向的兩片應變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當兩片應變片阻值和應變數相同時，其橋路輸出電壓 u02=ek/ε2。
3、 需用器件與單元：應變式感測器實驗模板、應變式感測器、砝碼、數顯表、±15v電源、±4v電源、萬用表(自備)。
四、實驗步驟：
1、感測器安裝同實驗一。做實驗(一)2 的步驟，實驗模板差動放大器調零。
2、 將適當的兩片應變片接入橋路。r1、r2為實驗模板左上方的應變片，注意r2和r1受力狀態相反，即將感測器中兩片受力相反的電阻應變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±4v，調節電橋調零電位器rw1 進行橋路調零，實驗步驟3、4同實驗一中4、5的步驟，將實驗資料記入表2-1，計算靈敏度 s=δu/δw，非線性誤差δf2。
若實驗時無數值顯示說明r2與r1為相同受力狀態應變片，應更換另乙個應變片。
4、 實驗資料
表 2-1 半橋測量時， 輸出電壓與加負載重量值
由上圖可知：
平均電壓變化量：
((38.1-6.3)/5+(44.
5-12.8)/5+(50.7-19.
1)/5+(57.0-25.4)/5+(63.
2-31.7)/5)/5=6.328mv
平均重量變化量： 20g
系統靈敏度：s=δ u/δ w=6.328mv/20g=0.317mv/g
線性誤差：
擬合直線為：δu=0.3164δw
0.204mv，yf·s=63.280mv
δf1=δm/yf·s×100%≈0.3224%
5、 思考題：
1、半橋側量時兩片不同受力狀態的電阻應變片接入電橋時，應放在：對邊。
2、橋路(差動電橋)測量時存在非線性誤差，是因為：(1)電橋測量原理上存在非線性(2)應變片應變效應是非線性的(3)調零值不是真正為零。
實驗三金屬箔式應變片——全橋效能實驗
一、實驗目的：了解金屬箔式應變片的應變效應，理解全橋測量電路優點。
二、基本原理：全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始阻值：r1=r2=r3=r4，其變化值δr1=δr2=δr3=δr4 時，其橋路輸出電壓 u03=keε。
其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。
3、需用器件和單元：同實驗一。
四、實驗步驟：
1、感測器安裝同實驗一。
2、參考圖1-4 接線，將四片應變片按正確的方式接入橋路。將實驗結果填入表 3-1；實驗後進行靈敏度和非線性誤差計算。
表 3-1 全橋輸出電壓與加負載重量值
由上圖可知：
平均電壓變化量：
((73.1-12.2)/5+(85.
2-24.8)/5+(98.0-36.
9)/5+(110.2-49.2)/5+(122.
6-61.0)/5)/5=12.2mv
平均重量變化量： 20g
系統靈敏度：s=δu/δw=12.2mv/20g=0.61mv/g
線性誤差：
擬合直線為：δu=0.6114δw
0.296mv，yf· s=122.28mv
δf1=δm/yf·s×100%≈0.242%
5、 思考題：
1、全橋測量中，當兩組對邊(r1、r3為對邊)電阻值r相同時，即r1= r3,r2=r4,而r1≠r2時，是否可以組成全橋：(1)可以(2)不可以。
答：可以。
2、某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，如何利用這四片電阻應變片組成電橋，是否需要外加電阻。見圖 3-2。
答：將這兩種應變片按照兩個不同方向貼在棒材上，利用兩種不同的測量值即可組成乙個全橋電路，不需要外加電阻。
感測器實驗報告
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