感測器技術實驗指導書

感測技術基礎

實驗指導書

淮陰工學院

計算機工程學院

2010-9-17

目錄實驗一應變片式感測器特性實驗 3

實驗二電容式感測器的位移實驗 13

實驗三差動變壓器的效能實驗 20

實驗四電渦流感測器位移特性實驗 27

實驗五壓電式感測器測振動實驗 32

實驗六線性霍爾式感測器位移特性實驗 36

實驗七轉速測量實驗 39

實驗八成分及濃度檢測實驗 43

一、實驗目的：

1、了解電阻應變片的工作原理與應用並掌握應變片測量電路。

2、了解應變片半橋（雙臂）工作特點及效能。

3、了解應變片全橋工作特點及效能。

4、比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結論。

5、了解應變直流全橋的應用及電路的標定。

二、基本原理：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，再通過測量電路進一步將電阻的改變轉換成電壓或電流訊號輸出。

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。

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= - μεr1-3）

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。

(1)、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：

k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。

(2)、半導體的應變靈敏度：主要取決於其壓阻效應；dr/r<≈dρρ。半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比金屬導體顯著得多的壓阻效應。

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，這種物理現象我們稱之為半導體的壓阻效應。且不同材質的半導體材料在不同受力條件下產生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減小）的壓阻效應。也就是說，同樣是拉伸變形，不同材質的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。

半導體材料的電阻應變效應主要體現為壓阻效應，可正可負，與材料性質和應變方向有關，其靈敏度係數較大，一般在100到200左右。

3、貼片式應變片應用

在貼片式工藝的感測器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩定性、線性度不好而且易損壞）很少應用。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半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵），製成擴散型壓阻式（壓阻效應）感測器。

＊本實驗以金屬箔式應變片為研究物件。

4、箔式應變片的基本結構

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。

(a) 絲式應變片 (b) 箔式應變片

圖1-1應變片結構圖

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。

5、測量電路

為了將電阻應變式感測器的電阻變化轉換成電壓或電流訊號，在應用中一般採用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結構簡單、靈敏度高、測量範圍寬、線性度好且易實現溫度補償等優點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。

電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出訊號最小、線性、穩定性較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，效能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍，效能最好。因此，為了得到較大的輸出電壓或電流訊號一般都採用雙臂或全橋工作。基本電路如圖1-2（a）、（b）、（c）所示。

（a）單臂b）半橋c）全橋

圖1-2 應變片測量電路

（a）、單臂

uo＝u①－u③

＝〔(r4＋△r4)／(r4＋△r4＋r3)－r1／(r1＋r2)〕e

＝｛〔（r1＋r2）（r4＋△r4）－r1（r3＋r4＋△r4）〕／〔（r3＋r4＋△r4）（r1＋r2）〕｝e

設r1＝r2＝r3＝r4，且△r4／r4＝δr／r＜＜1，δr／r＝kε。

則uo≈(1／4)(△r4／r4)e＝(1／4)(△r／r)e＝(1／4)kεe

(b)、雙臂(半橋)

同理:uo≈(1／2)(△r／r)e＝(1／2)kεe

(c)、全橋

同理:uo≈(△r／r)e＝kεe

6、箔式應變片單臂電橋實驗原理圖

圖1-3 應變片單臂電橋實驗原理圖

圖中r1、r2、r3為350ω固定電阻，r4為應變片； w1和r組成電橋調平衡網路，供橋電源直流±4v。橋路輸出電壓uo≈(1／4)(△r4／r4)e＝(1／4)(△r／r)e＝(1／4)kεe 。

三、需用器件與單元：機頭中的應變梁、振動台；主機板中的箔式應變片、電橋、±4v電源、差動放大器、f/v電壓表、砝碼； 4位數顯萬用表（自備）。

四、需用器件與單元介紹：

熟悉需用器件與單元在感測器箱中機頭與主機板的布置位置(參閱以上說明書

二、實驗箱組成圖)。

1、圖1-4為主板中的電橋單元。圖中：

⑴菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參考而設，無其它實際意義)。

⑵r1=r2=r3=350ω是固定電阻，為組成單臂應變和半橋應變而配備的其它橋臂電阻。

⑶w1電位器、r電阻為電橋直流調節平衡網路，w2電位器、c電容為電橋交流調節平衡網路。

圖1-4 電橋單元

2、圖1-5為主板中的差動放大器單元。

圖中：左圖是原理圖。其中：ic1-1 ad620是差動輸入的測量放大器(儀用放大器)；

ic1-2為調零跟隨器。右圖為面板圖。

圖1-5 差動放大器原理與面板圖

五、實驗步驟：

1、在應變梁自然狀態（不受力）的情況下，用4位數顯萬用表2kω電阻檔測量所有

應變片阻值；在應變梁受力狀態（用手壓、提振動台）的情況下，測應變片阻值，觀察一下應變片阻值變化情況(標有上下箭頭的4片應變片縱向受力阻值有變化；標有左右箭頭的2片應變片橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片)。如下圖1-6所示。

圖1-6 觀察應變片阻值變化情況示意圖

2、差動放大器調零點：按圖1-7示意接線。將f／v表的量程切換開關切換到2v檔，

合上實驗箱主電源開關，將差動放大器的撥動開關撥到「開」位置，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉到底後再逆向迴轉半圈，調節調零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調節完成，關閉主電源。

圖1-7 差放調零接線圖

3、應變片單臂電橋特性實驗：

⑴將主機板上感測器輸出單元中的箔式應變片(標有上下箭頭的4片應變片中任意一片為工作片)與電橋單元中r1、r2、r3組成電橋電路，電橋的一對角接±4v直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將w1電位器、r電阻直流調節平衡網路接入電橋中(w1電位器二固定端接電橋的±4v電源端、w1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖1-8示意接線(粗細曲線為連線線)。

圖1-8 應變片單臂電橋特性實驗接線示意圖

⑵檢查接線無誤後合上主電源開關，在機頭上應變梁的振動台無砝碼時調節電橋的直流

調節平衡網路w1電位器，使電壓表顯示為0或接近0(有小的起始電壓也無所謂，不影響應

變片特性與實驗)。

⑶在應變梁的振動台中心點上放置乙隻砝碼(20g／只)，讀取數顯表數值，依次增加砝碼和讀取相應的數顯表值，記下實驗資料填入表1-1。

表1-1 應變片單臂電橋特性實驗資料

⑷根據表1-1資料計算系統靈敏度s＝δv/δw（δv輸出電壓變化量，δw重量變化量）和非線性誤差δ，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。實驗完畢，關閉電源。

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