實驗一、二、三應變片單臂、半橋、全橋特性實驗
一、 實驗原理
電阻應變式感測器是在彈性元件上通過特定工藝貼上電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的感測器，此類感測器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然後由電阻應變片將變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化訊號輸出。可用於能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建築測量等行業應用十分廣泛。
二、實驗結果
三、實驗分析
根據表中資料畫出實驗曲線後，計算靈敏度s＝δv/δw（δv輸出電壓變化量，δw重量變化量）和非線性誤差δ(用最小二乘法)，δ=δm/yfs ×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：yfs滿量程輸出平均值，此處為200g。
四、 思考題
1、δr轉換成δv輸出用什麼方法?
通過電阻的分壓，將電阻兩端的電壓測量出來經過差動放大器。從而將δr轉換成δv。
2、根據圖4機頭中應變梁結構，在振動台放置砝碼後分析上、下樑片中應變片的應變方向(是拉?還是壓?+壓變大)。
所連線的應變片電阻中，帶有符號↑是拉伸，電阻會變大；帶有符號↓的是壓縮，電阻會減小。
3、 半橋測量時兩片不同受力狀態的電阻應變片接入電橋時，應接在：（1）對邊?（2）鄰邊?為什麼?
應該接在鄰邊，這樣能保證測量的靈敏度，同時能使一些去除干擾因素的影響。
4、應變片組橋時應注意什麼問題?
要注意應變片的受力狀態和接入電路時的位置。
實驗五應變直流全橋的應用—電子秤實驗
一、實驗原理
常用的稱重感測器就是應用了箔式應變片及其全橋測量電路。數字電子秤實驗原理如圖5—1。本實驗只做放大器輸出vo實驗，通過對電路的標定使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱（v）改為重量量綱（g）即成為一台原始電子秤。
圖5—1 數字電子稱原理框圖
二、實驗結果
表5電子稱實驗資料
二、 實驗分析
實驗八移相器、相敏檢波器實驗
一、實驗原理
1、 移相器工作原理：
圖8—1為移相器電路原理圖與實驗箱主機板上的面板圖。圖中，ic-1、r1、r2、r3、c1
圖8—1 移相器原理圖與面板圖
構成一階移相器（超前），在r2=r1的條件下，可證明其幅頻特性和相頻特性分別表示為：
kf1(jω)=vi/v1=-(1-jωr3c1)/(1+jωr3c1)
kf1(ω)=1
φf1(ω)=-л-2tg-1ωr3c1
其中： ω=2лf,f為輸入訊號頻率。同理由ic-2,r4,r5,rw,c3構成另乙個一階移相器（滯後），在r5=r4條件下的特性為：
kf2(jω)=vo/v1=-(1-jωrwc3)/(1+jωrwc3)
kf2(ω)=1
φf2(ω)=-л-2tg-1ωrwc3
由此可見，根據幅頻特性公式，移相前後的訊號幅值相等。根據相頻特性公式，相移角度的大小和訊號頻率f及電路中阻容元件的數值有關。顯然，當移相電位器rw=0，上式中φf2=0，因此φf1決定了圖7—1所示的二階移相器的初始移相角：
即φf=φf1=-л-2tg-12лfr3c1
若調整移相電位器rw，則相應的移相範圍為：δφf=φf1-φf2=-2tg-12лfr3c1+2tg-12лfδrwc3
已知r3=10kω,c1=6800p,△rw=10kω,c3=0.022μf,如果輸入訊號頻率f一旦確定，即
可計算出圖8—1所示二階移相器的初始移相角和移相範圍。
2、相敏檢波器工作原理：
圖8—2為相敏檢波器（開關式）原理圖與實驗箱主機板上的面板圖。圖中，ac為交流參考電壓輸入端，dc為直流參考電壓輸入端，vi端為檢波訊號輸入端，vo端為檢波輸出端。
圖8—2 相敏檢波器原理圖與面板圖
原理圖中各元器件的作用：c5-1交流耦合電容並隔離直流；ic5-1反相過零比較器，將參考電壓正弦波轉換成矩形波（開關波+14v ～ -14v）；d5-1二極體箝位得到合適的開關波形v7≤0v（0 ～ -14v）；q5-1是結型場效電晶體，工作在開、關狀態；ic5-2工作在倒相器、跟隨器狀態；r5-6限流電阻起保護整合塊作用。
關鍵點：q5-1是由參考電壓v7矩形波控制的開關電路。當v7＝0v時，q5-1導通，使ic5-2同相輸入5端接地成為倒相器，即v3＝-v1；當v7＜0v時，q5-1截止（相當於斷開），ic5-2成為跟隨器，即v3＝v1。
相敏檢波器具有鑑相特性，輸出波形v3的變化由檢波訊號v1與參考電壓波形v2之間的相位決定。下圖8—3為相敏檢波器的工作時序圖。
圖8—3相敏檢波器工作時序圖
三、 實驗結果及資料分析
相敏檢波器的輸出波形隨著移相電位器的改變而改變。
四、思考題
移相器能夠改變系統的相頻響應，而相敏檢波器能夠同時鑑別幅度特性和相位特性。
實驗九應變片交流全橋的應用(應變儀)—振動測量實驗
一、 實驗原理
圖9—1是應變片測振動的實驗原理方塊圖。當應變梁的振動台受到f(t)作用而振動，使貼上在應變梁上的應變片產生應變訊號dr/r，應變訊號dr/r由振盪器提供的載波訊號經交流電橋調製成微弱調幅波，再經差動放大器放大為u1(t)，u1(t)經相敏檢波器檢波解調為u2(t)，u2(t)經低通濾波器濾除高頻載波成分後輸出應變片檢測到的振動訊號u3(t)(調幅波的包絡線)，u3(t)可用示波器顯示。圖中，交流電橋就是乙個調製電路，w1、r、w2、c是交流電橋的平衡調節網路，移相器為相敏檢波器提供同步檢波的參考電壓。
這也是實際應用中的動態應變儀原理。
圖9—1 應變儀實驗原理方塊圖
二、實驗結果
表9應變交流全橋振動測量實驗資料
三、實驗分析
實驗十壓阻式壓力感測器的壓力測量實驗
一、 實驗原理
擴散矽壓阻式壓力感測器的工作機理是半導體應變片的壓阻效應，在半導體受力變形時會暫時改變晶體結構的對稱性，因而改變了半導體的導電機理，使得它的電阻率發生變化，這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應 。一般半導體應變採用n型單晶矽為感測器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出多個半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵）組成電橋。在壓力（壓強）作用下彈性元件產生應力，半導體電阻應變薄膜的電阻率產生很大變化，引起電阻的變化，經電橋轉換成電壓輸出，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變化。
圖10—1為壓阻式壓力感測器壓力測量實驗原理圖。
圖10—1 壓阻式壓力感測器壓力測量實驗原理
二、實驗結果
表10 壓阻式壓力感測器測壓實驗資料
三、實驗分析
實驗十一電容式感測器的位移實驗
一、實驗原理
1、原理簡述：電容感測器是以各種型別的電容器為感測元件，將被測物理量轉換成電容量的變化來實現測量的。電容感測器的輸出是電容的變化量。
利用電容c＝εa／d關係式通過相應的結構和測量電路可以選擇ε、a、d中三個引數中，保持二個引數不變，而只改變其中乙個引數，則可以有測乾燥度（ε變）、測位移（d變）和測液位（a變）等多種電容感測器。電容感測器極板形狀分成平板、圓板形和圓柱(圓筒)形，雖還有球面形和鋸齒形等其它的形狀，但一般很少用。本實驗採用的感測器為圓筒式變面積差動結構的電容式位移感測器，差動式一般優於單組(單邊)式的感測器。
它靈敏度高、線性範圍寬、穩定性高。如圖11—1所示：它是有二個圓筒和乙個圓柱組成的。
設圓筒的半徑為r；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為c=ε2ｘ／ln(r／r)。圖中c1、c2是差動連線，當圖中的圓柱產生x位移時，電容量的變化量為c =c1－c2=ε22x／ln(r／r)，式中ε2、ln(r／r)為常數，說明c與x位移成正比，配上配套測量電路就能測量位移。
圖11-1 實驗電容感測器結構
1、 測量電路(電容變換器)：如圖11—2所示，測量電路的核心部分是圖11—3的電路
圖11—2 電容測量電路
圖11—3 二極體環形充放電電路
在圖11—3中，環形充放電電路由d3、d4、d5、d6二極體、c5電容、l1電感和cx1、cx2實驗差動電容位移感測器組成。
當高頻激勵電壓(ｆ>100khz)輸入到ａ點，由低電平e1躍到高電平e2時，電容cx1和
cx2兩端電壓均由e1充到e2。充電電荷一路由ａ點經d3到b點，再對cx1充電到o點(地)；另一路由由ａ點經c5到c點，再經d5到d點對cx2充電到o點。此時，d4和d6由於反偏置而截止。
在t1充電時間內，由ａ到c點的電荷量為：
q1＝cx2(e2-e1) （11—1）
當高頻激勵電壓由高電平e2返回到低電平e1時，電容cx1和cx2均放電。cx1經b點、d4、c點、c5、ａ點、l1放電到o點；cx2經d點、d6、l1放電到o點。在t2放電時間內由c點到ａ點的電荷量為：
q2＝cx1(e2-e1) （11—2）
當然，（11—1）式和（11—2）式是在c5電容值遠遠大於感測器的cx1和cx2電容值的前提下得到的結果。電容c5的充放電迴路由圖11—3中實線、虛線箭頭所示。
在乙個充放電週期內（ｔ＝t1＋t2），由c點到ａq2＝cx1(e2-e1)點的電荷量為：
ｑ＝q2-q1＝(cx1-cx2)(e2-e1)＝△cx △e （11—3）
式中：cx1與cx2的變化趨勢是相反的（感測器的結構決定的，是差動式）。
設激勵電壓頻率f＝1/t，則流過ac支路輸出的平均電流i為：
i＝fｑ＝f△cx △e11—4）
式中：△e—激勵電壓幅值；△cx—感測器的電容變化量。
由（11—4）式可看出：f、△e一定時，輸出平均電流i與△cx成正比，此輸出平均電流i經電路中的電感l2、電容c6濾波變為直流i輸出，再經rw轉換成電壓輸出vo1＝i rw。由感測器原理已知c與x位移成正比，所以通過測量電路的輸出電壓vo1就可知x位移。
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