目錄2000系列基本實驗舉例
實驗一應變片單臂電橋效能實驗11
實驗二應變片半橋效能實驗17
實驗三應變片全橋效能實驗18
實驗四應變片單臂、半橋、全橋效能比較實驗 …………………20
實驗五應變片直流全橋的應用—電子秤實驗21
實驗六應變片溫度影響實驗22
實驗七移相器、相敏檢波器實驗23
實驗八應變片交流全橋(應變儀)的應用—振動測量實驗…………27
實驗九壓阻式壓力感測器測量壓力特性實驗………………………30
*實驗十壓阻式壓力感測器應用—壓力計實驗………………………32
實驗十一差動變壓器的效能實驗32
實驗十二激勵頻率對差動變壓器特性影響實驗37
實驗十三差動變壓器零點殘餘電壓補償實驗38
實驗十四差動變壓器測位移特性實驗39
實驗十五差動變壓器的應用—振動測量實驗41
實驗十六電容式感測器測位移特性實驗43
實驗十七線性霍爾感測器測位移特性實驗45
實驗十八線性霍爾感測器交流激勵時位移特性實驗…………………48
實驗十九開關式霍爾感測器測轉速實驗50
實驗二十磁電式轉速感測器測轉速實驗51
實驗二十一壓電式感測器測振動實驗53
實驗二十二電渦流感測器測量位移特性實驗57
實驗二十三被測體材質對電渦流感測器特性影響實驗…………………60
實驗二十四被測體面積大小對電渦流感測器特性影響實驗……………61
實驗二十五電渦流感測器測量振動實驗62
實驗二十六光纖位移感測器測位移特性實驗63
實驗二十七光電感測器測量轉速實驗66
實驗二十八光電感測器控制電機轉速實驗67
實驗二十九溫度源的溫度調節控制實驗75
實驗三十 pt100鉑電阻測溫特性實驗79
實驗三十一 cu50銅電阻測溫特性實驗85
實驗三十二 k熱電偶測溫特性實驗86
實驗三十三 k熱電偶冷端溫度補償實驗92
實驗三十四 e熱電偶測溫特性實驗95
實驗三十五整合溫度感測器(ad590)的溫度特性實驗 …………………96
實驗三十六氣敏感測器實驗99
實驗三十七濕度感測器實驗100
示範實驗舉例
實驗一應變片單臂電橋效能實驗
一、實驗目的：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。
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彈性元件的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。它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，這種物理現象稱之為半導體的壓阻效應 。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，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
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。
(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
＝〔(r1＋△r1)／(r1＋△r1＋r5)－r7／(r7＋r6)〕e
＝｛〔（r7＋r6）（r1＋△r1）－r7（r5＋r1＋△r1）〕／〔（r5＋r1＋△r1）（r7＋r6）〕｝e
設r1＝r5＝r6＝r7，且△r1／r1＝δr／r＜＜1，δr／r＝kε，k為靈敏度係數。
則uo≈(1／4)(△r1／r1)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 應變片單臂電橋效能實驗原理圖
圖中r5、r6、r7為350ω固定電阻，r1為應變片； rw1和r8組成電橋調平衡網路，e為供橋電源±4v。橋路輸出電壓uo≈(1／4)(△r4／r4)e＝(1／4)(△r／r)e＝(1／4)kεe 。差動放大器輸出為vo。
三、需用器件與單元：主機箱中的±2v～±10v（步進可調）直流穩壓電源、±15v直流穩壓電源、電壓表；應變式感測器實驗模板、托盤、砝碼； 4位數顯萬用表（自備）。
四、實驗步驟：
應變感測器實驗模板說明：應變感測器實驗模板由應變式雙孔懸臂梁載荷感測器（稱重感測器）、加熱器+5v電源輸入口、多芯插頭、應變片測量電路、差動放大器組成。實驗模板中的r1(感測器的左下)、r2(感測器的右下)、r3(感測器的右上)、r4(感測器的左上)為稱重感測器上的應變片輸出口；沒有文字標記的5個電阻符號是空的無實體，其中4個電阻符號組成電橋模型是為電路初學者組成電橋接線方便而設；r5、r6、r7是350ω固定電阻，是為應變片組成單臂電橋、雙臂電橋（半橋）而設的其它橋臂電阻。
加熱器+5v是感測器上的加熱器的電源輸入口，做應變片溫度影響實驗時用。多芯插頭是振動源的振動梁上的應變片輸入口，做應變片測量振動實驗時用。
1、將托盤安裝到感測器上，如圖1—4所示。
圖1—4 感測器托盤安裝示意圖
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