实验一 传感器综合实验-金属箔式应变片
一、实验目的
1、了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。
2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
二、所需模块及仪器设备：
直流恒压源 DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、电桥模 块、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。
旋钮初始位置：直流恒压源 DH-VC2±4V 档，万用表打到 2V 档，差动放大增益中间位置。
三．实验原理：
传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或者装置，他能感受规定的被测量的信号并按一定的规律转化成输出信号。传感器给出的是电信号。
传感器的组成
传感器由图1-1所示的几部分组成。其中，敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 图1-1 传感器的组成
由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一，直接能将被测量转换为电量输出，如压电传感器、光电池。热敏电阻等。
传感器的静态特性
传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时的输入输出关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。
1．线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示：
01122n n y a a x a x ...a x =++++
（1-1）
被测量
电量
敏感
元件 转换 元件 转换 电路
式中：
a 0——输入量x 为零时的输出量；
a 1，a 2，…，a n ——非线性项系数。
各项系数不同，决定了特性曲线的具体形状各不相同。
静特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。但如果传感器非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，如图1-2所示，使传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差（或线性度），通常用相对误差r L 表示，即 100%max L FS L r Y ?=±?
（1-2）
式中：
ΔL max ——最大非线性绝对误差；
Y FS ——满量程输出。
从图1-2中可见，即使是同类传感器，拟合直线不同，其线性度也是不同的。选取拟合直线的方法很多，用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。
2．灵敏度
灵敏度S 是指传感器的输出量增量Δy 与引起输出量增量Δy 的输入量增量Δx 的比值，即
y S x ?=? （1-3）
（a ） 理论拟合 （b ）过零旋转拟合
（c ） 端点连线拟合 （d ） 端点平移拟合
图 1-2 几种直线拟合方法
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，S=Δy/Δx 为常数，即： 0y -y S =x
而非线性传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx 表示。传感器的灵敏度如图1-3所示。
（a ）线性传感器 （b ）非线性传感器
图1-3 传感器的灵敏度
3．迟滞
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图
1-4
所示。
也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的，例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差r H 可由下式计算：
1100%2max H FS H r Y ?=±? （1-4）
式中：ΔH max ——正反行程输出值间的最大差值。
图1-4 迟滞特性
4．重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度，如图1-5所示。重复性误差属于随机误差，常用标准偏差σ表示，也可用正反行程中的最大偏差ΔR max 表示，即：
23100%R FS
(~)r =Y σ±? （1-5） 1100%2max R FS R r Y ?=±? （1-6）
图1-5 重复性
5．漂移
传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。
其中，零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移是指环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。
传感器的动态特性
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。
为了说明传感器的动态特性，下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下，都存在动态测温问题。如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t ℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的介质温度从t0突然上升到t，而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t ℃需要经历一段时间，即有一段过渡过程，如图1-6所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因，是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻，使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的，这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。
图1-6 动态测温
动态特性除了与传感器的固有因素有关之外，还与传感器输入量的变化形式有关。也就是说，我们在研究传感器动特性时，通常是根据不同输入变化规律来考察传感器的响应的。
虽然传感器的种类和形式很多，但它们一般可以简化为一阶或二阶系统（高阶可以分解成若干个低阶环节），因此一阶和二阶的传感器是最基本的。传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的，下面在对传感器动态特性进行分析时，采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。
1．瞬态响应特性
传感器的瞬态响应是时间响应。在研究传感器的动态特性时，有时需要从时域中对传感器的响应和过渡过程进行分析。这种分析方法是时域分析法，传感器对所加激励信号的响应称瞬态响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态性能指标。
（1）一阶传感器的单位阶跃响应
在工程上，一般将下式：
()()()dy t y t x t dt τ+= （1-7）
视为一阶传感器单位阶跃响应的通式。式中x (t )、y (t )分别为传感器的输入量和输出量，均是时间的函数，表征传感器的时间常数，具有时间“秒”的量纲。
一阶传感器的传递函数：
()1()()1Y S H s X S s τ==+ （1-8） 对初始状态为零的传感器，当输入一个单位阶跃信号
0,01,0
t x(t)t ≤?=?>? 由于x (t )=1(t )，x (s )=1/s ，传感器输出的拉氏变换为：
111Y(s)=H(s)X(s)=s s τ?+ （1-9） 一阶传感器的单位阶跃响应信号为：
t
=1-e y(t)τ- （1-10）
相应的响应曲线如图1-7所示。由图可见，传感器存在惯性，它的输出不能立即复现输入信号，而是从零开始，按指数规律上升，最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t 趋于无穷大时才达到稳态值，但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%，可以认为已达到稳态。τ越小，响应曲线越接近于输入阶跃曲线，因此，τ值是一阶传感器重要的性能参数。
图1-7 一阶传感器单位阶跃响应
四、实验内容：
1、了解所需模块、器件设备等，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。测微头在双平行梁后面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。安装测微头时，应注意是否可以到达磁钢中心位置；
2、差动放大器调零：V+接至直流恒压源的+15V,V-接至-15V,调零模块的 GND 与差动放大器模块的 GND 相连，VREF与 VREF相连，V+与 V+相连，再用导线将差动放大器的输入端同相端 VP（＋）、反相端 VN（－）与地短接。用万用表测差动放大器输出端的电压；开启直流恒压源；调节调零旋钮使万用表显示为零；
3、根据图 1 接线 R1、R2、R3 为电桥模块的固定电阻，R4 则为应变片；将直流恒压源的打至±4V 档，万用表置 20V 档。开启直流恒压源，调节电桥平衡网络中的电位器 W1，使万用表显示为零；
4、将测微头转动到 10mm 刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使万用表显示最小，再旋动测微头，使万用表显示为零（细调零），并记下此时测微头上的刻度值（要准确无误地读出测微头上的刻度值）。
5、往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移(X)记下万用表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入表格中。
6、重复第五步骤，依次计算四组单电桥数据
7、根据所的数据，用最小二乘法计算出斜率以及单桥的平均值k1。
8、保持差动放大器增益不变，将 R1， R2两个固定电阻换成另两片同一组受力应变片。组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥 W1 同样使万用表显示为零。重复步骤五测出半桥的两组数据。
9、根据所的数据，用最小二乘法计算出斜率以及半桥的平均值k2。
10、将剩余两个电阻全都换成应变片，重复第五组数据测出全桥的一组数据。
11、根据所的数据，用最小二乘法计算出斜率以及半桥的平均值k3.
厦门大学嘉庚学院传感器 实验报告 实验项目：实验一、二、三 金属箔式应变片 ——单臂、半桥、全桥 实验台号： 专 业： 物联网工程 年 级： 2014级 班 级： 1班 学生学号： ITT4004 学生姓名： 黄曾斌 实验时间： 2016 年 5 月 20 日
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，单臂电桥工作原理和性能。 二．基本原理 金属电阻丝在未受力时，原始电阻值为R=ρL/S 。 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： 式中R R /?为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，L L /?=ε 为电阻丝长度 相对变化，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，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。 输出电压： 1.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；输出 U O14/εEK =。 2.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；半桥电压输出U O2 2/εEK =。 3.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥电压输出U O3 εEK =。 三．需用器件与单元 CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。 ()() E R R R R R R R R U O 43213 241++-=
实验二 箔式应变片三种桥路性能的比较 一、实验目地： 1． 了解金属箔式应变片的的原理、结构以及粘贴方式。 2． 了解电阻应变片测量电桥的工作原理，比较直流单臂电桥、半桥差动电桥 和全桥差动电桥的性能。 二、实验所需部件：（CSY 10B 型传感器系统实验仪） 直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、双孔悬臂梁称重传感器、称重砝码（20g ×10个）、电压表（2V 档）。 三、实验原理： 应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过非平衡电桥测量电路，可以将待测量转换成电信号输出显示。如图所示。直流单臂电桥测量电路中只有R 1为电阻应变片。半桥差动电桥中电阻应变片R 1和R 2构成差动形式。全桥差动电桥中由四个应变片组成两个差动对工作。采用差动电桥测量电路，不仅可以提高电桥的灵敏度，还可以进行温度补偿和消除非线性误差。 (a) 直流单臂电桥
(b) 半桥差动电桥 (c) 全桥差动电桥 四、实验步骤： 1．差动放大器调零。 开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表（2V 档）。用“差动调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。 调零后关闭仪器电源。 2．按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R 1、R 2、R 3、和W D 为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R 为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为 ±4V 。 3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。 调整电桥W D 电位器，使测试系统输出为零。
实验报告 姓名：学号：班级： 实验项目名称：实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥，半桥 实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况；：验证单臂、半桥性能及相互之间关系。 实验原理： 单臂、半桥、全桥是指在电桥组成工作时，有一个桥臂、二个桥臂、全部四个桥臂（用应变片）阻值都随被测物理量而变化。 电桥的灵敏度：电桥的输出电压（或输出电流） 与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之 间的比值，称为电桥的灵敏度。如图是直流电桥，它 的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成，U。是供桥电 压，输出电压为： 当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零，电桥处于平 衡状态。 如果将R4换成贴在试件上的应变片，应变片随试件的受力变形而变形，引起应变片电阻R4的变化，平衡被破坏，输出电压U发生变化。当臂工作时，电桥只有R4桥臂为应变片，电阻变为R＋R，其余各臂仍为固定阻值R,代入上式有 组桥时，R1和R3，R2和R4受力方向一致。 实验步骤（电路图）： （1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 （2）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。
（3）根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，F／V表置20V档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。 图1金属箔式应变片性能—单臂电桥电路 （4）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V 表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 （5）——往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入下表： （6）据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F ／V表显示的电压相应变化）。 (7) 将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（5）过程同样测得读数，填入下表： 实验结果及分析： 单臂电桥结果： 位移（mm）-1.0 -0.5 0.5 1.0 1.5 电压（mv）-0.057 -0.044 0.012 0.025 0.036 灵敏度计算：电压变化的平均值=0.013mv S=ΔV／ΔX=0.026mv/mm 结果分析：半桥的灵敏度是单臂电桥灵敏度的2倍。 实验中的注意事项及实验感想、收获或建议等：
实验一 传感器综合实验-金属箔式应变片 一、实验目的 1、了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 二、所需模块及仪器设备： 直流恒压源 DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、电桥模 块、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。 旋钮初始位置：直流恒压源 DH-VC2±4V 档，万用表打到 2V 档，差动放大增益中间位置。 三．实验原理： 传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或者装置，他能感受规定的被测量的信号并按一定的规律转化成输出信号。传感器给出的是电信号。 传感器的组成 传感器由图1-1所示的几部分组成。其中，敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 图1-1 传感器的组成 由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一，直接能将被测量转换为电量输出，如压电传感器、光电池。热敏电阻等。 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时的输入输出关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。 1．线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示： 01122n n y a a x a x ...a x =++++ （1-1） 被测量 电量 敏感 元件 转换 元件 转换 电路
实验一金属箔式应变片――电桥性能实验 （一）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，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器： 应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。 三、实验原理： 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。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组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1 图1-2 通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，
如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 Uo= R R R R E ??+?? 211/4 （1-1） E 为电桥电源电压，R 为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021???- R R 。 四、实验内容与步骤 1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。 2．差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动） 3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。 4．加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。 5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，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，计下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。 表1－1 重量(g) 电压(mV) 五、实验报告 根据表1－1计算系统灵敏度S ＝ΔU/ΔW （ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/y F..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；y F ·S 为满量程（200g ）输出平均值） 六、注意事项 加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！
成绩： 预习审核： 评阅签名： 厦门大学嘉庚学院传感器 实验报告 实验项目：实验一、二、三金属箔式应变片——单臂、半桥、全桥 实验台号： 专业：物联网工程 年级：2014级 班级：1班 学生学号：ITT4004 学生姓名：黄曾斌 实验时间：2016 年 5 月20 日
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，单臂电桥工作原理和性能。 二．基本原理 金属电阻丝在未受力时，原始电阻值为R=ρL/S 。 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： 式中R R /?为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，L L /?=ε 为电阻丝长度 相对变化，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，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。 输出电压： 1.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；输出 U O14/εEK =。 2.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；半桥电压输出U O2 2/εEK =。 3.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥电压输出U O3 εEK =。 三．需用器件与单元 CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。 ()() E R R R R R R R R U O 43213 241++-=
南京信息工程大学传感器实验(实习)报告 实验(实习)名称金属箔式应变片半桥性能实验实验(实习)日期12.2得分指导老师 系专业班级姓名学号 实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 实验内容： 基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U O2＝EKε／2。 需用器件与单元：主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 实验步骤： 1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上。将实验模板差动放大器调零：用导线将实验模板上的±15v、⊥插口与主机箱电源±15v、⊥分别相连，再将实验模板中的放大器的两输入口短接(V i＝0)；调节放大器的增益电位器R W3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实 验模板放大器的调零电位器R W4，使电压表显示为零。 图2 应变式传感器半桥接线图 2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2接线。注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500 g）砝码加完。记下实验数据填入表2画出实验曲线，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δ。实验完
毕，关闭电源。 实验结果： 表2 解：S=200/80=2.5 δ=Δm/y FS×100％=1/200x100%=0.5%
实验二 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，单臂电桥工作原理和性能。 二、 实验原理 应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1 型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。 图2-2 应变式传感器安装示意图 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。 金属的电阻表达式为： l R S ρ= （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长l ?，横截面积相应减小S ?，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变ρ?，故引起电阻值变化R ?。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： R l S R l S ρρ ????=-+ （2） 式中的l l ?为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位με（1με=1×610mm mm -）。若径向应变为r r ?，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比μ表示为l r r l μ??=-（），因为S S ?=2（r r ?），则（2）式可以写成： 01212R l l l k R l l l l l ρρρμμρ??????=++=++=?（）（） （3） 式（3）为“应变效应”的表达式。0k 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k 受两个
因素影响，一个是（1+μ2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是ρρε?（），是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则μ210+≈k ，对半导体，0k 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数0k =2左右。 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系 εσE = （4） 式中 ζ——测试的应力； E ——材料弹性模量。 可以测得应力值ζ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。 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，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压 U= EK ε/4，式中E 为电桥供电电压，K 为应变灵敏系数。 应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。 图2-1应变式传感器信号调理实验电路图 三、实验设备 THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表（自备）、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。 四、实验内容与步骤
金属箔式应变片——全桥性能实验 实验报告 一． 实验目的： 了解全桥测量电路的优点。 二． 基本原理： 全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，受力方向不同的接入邻边，当应变片初始阻值：1234R R R R ===，其变化值 1234R R R R ?=?=?=?时，其桥路输出电压3o U KE ε=。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。 三． 需用器件和单元： 应变单元电路、应变式传感器、砝码、数显表（实验箱上电压表）、±4V 电源、万用表。 四． 实验步骤：
图1 应变式传感器全桥实验接线图
1. 保持单臂、半桥实验中的3Rw 和4Rw 的当前位置不变。 2. 根据图1接线，实验方法与半桥实验相同，全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，将实验结果填入表1；进行灵敏度和非线性误差计算。 表1 全桥输出电压与加负载重量值 3. 根据表1计算系统灵敏度S ，/S u W =??（u ?输出电压变化量；W ?重量变化量）；计算非线性误差：1 /100%f F S m y δ?=??，式中m ?为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，F S y ?满量程输出平均值。 五． 实验结果计算 1． 计算系统灵敏度S ，/S u W =??（u ?输出电压变化量；W ?重量变化量） 表2 全桥测量灵敏度
2． 计算非线性误差：1 /100%f F S m y δ?=??，式中m ?为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差，F S y ?满量程输出平均值。 实验时，测的最大重量为80()g ，因此，0.157()F S y ?=电压表测得、 =0.15293(LABVIEW )F S y ?测得 （1） 由电压表测得数据拟合得到的方程为：0.00170.0185y x =+ 拟合得到数据： 拟合得到图像： 01020304050607080 计算得到非线性误差为： 表3 电压表测得数据计算得到非线性误差
第 1 页 共 3 页 电子信息工程学系实验报告 课程名称：传感器与检测技术 实验项目名称：实验（二）金属箔式应变片单臂半桥全桥 实验时间： 班级：测控091 姓名：陈云 学号： 实 验 目 的: 验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 实 验 环 境: CSY -910型传感器实验仪：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V 表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。 实 验 内 容 及 过 程: 1、实验原理 已知单臂、半桥和全桥电路的ΣR 分别为△R/R 、2△R/R 、4△R/R 。根据戴维定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于ΣR.E4，电桥灵敏度Ku=Uo/△R/R ，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为E/4、E/2和E 。由此可知，当E 和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。 2、旋钮初始位置 直流稳压电源打到±2V 档，F/V 表打到2v 档，差动放大器增益打到最大。 3、实验步骤 (1)按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。 (2)使用一片应变片，组建单臂电桥。 按图l 接线，图中Rx=R4为工作片，r 及Wl 为电桥平衡网络。完成接线与调整测微头使双平行梁处于水平位置(目测)，将直流电源打到±4V 档，选择适当的放大增益，然后调节W1，使F/V 显示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。记下此时的测微头的初始刻度。（Rx 接↑的应变片） (3)旋动测微头的调节旋钮，记下梁自由端的位移和F/V 表的示值。 旋转测微头，使梁移动，每隔1mm 读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源。 (4)使用两片应变片，组建差动半桥，保持放大器增益不变，重复步骤（3）过程，记下所测得数据。 将R3固定电阻换为与R4（取↑应变片）受力方向相反的另一应变片（↓应变片），即取两片受力方向不同应变片，形成半桥。调节测微头使梁到水平位置(目测)，调节电桥Wl 使F/V 表显示为零，重复(3)
实验一 传感器综合实验-金属箔式应变片 一、实验目的 1、了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 二、所需模块及仪器设备： 直流恒压源 DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、电桥模 块、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。 旋钮初始位置：直流恒压源 DH-VC2±4V 档，万用表打到 2V 档，差动放大增益中间位置。 三．实验原理： 传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或者装置，他能感受规定的被测量的信号并按一定的规律转化成输出信号。传感器给出的是电信号。 传感器的组成 传感器由图1-1所示的几部分组成。其中，敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 图1-1 传感器的组成 由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一，直接能将被测量转换为电量输出，如压电传感器、光电池。热敏电阻等。 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时的输入输出关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。 1．线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示： 01122n n y a a x a x ...a x =++++ （1-1）
金属箔式应变片的性能试验 学校：汕头大学专业：电子信息工程年级：10级姓名：胡丹 (一)单臂电桥性能检测法 一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理与性能，并掌握应变片测量电路。 二、基本原理 电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是电阻应变效应。且 （为应变灵敏系 数） 金属箔式应变片是一种敏感器件，通过它可以转换被测部位的受力状态变化。而电桥的作用就是完成电阻到电压的变化，其输出反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压 。 三、实验设备 主机箱（）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四、实验数据处理 重量和电压数据 重量和电压的关系曲线
1.计算单臂测量系统的灵敏度S： 的平均值为： 2.计算非线性误差： 这里以理论拟合直线，即以输出0%为起点，满量程输出（此处为49mV）的 当砝码总重20g时取得最大偏差。 而，所以，。 五、思考题 1.单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压） （3）正、负应变片均可以？ 答：正、负应变片均可以。当采用负应变片时，得到的电压是负值。 2.查阅传感器的相关资料，概述衡量传感器的性能特性都有哪些指标？
答：静态特性：线性度、迟滞、重复性、阈值、灵敏度、稳定性、噪声、漂移； 动态特性：时间常数、阻尼系数、固有频率。 (二)半桥性能检测法 一、实验目的 比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。 二、基本原理 不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性误差也可以消除。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压。 三、实验设备 主机箱（）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四、实验数据处理 重量和电压数据 重量和电压的关系曲线 1.计算单臂测量系统的灵敏度S： 的平均值为：
实验A 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，单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理：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。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，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U o1= EKε/4。 三、需用器件与单元：主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 1位数显万用表（自备）。 2 图1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
四、实验步骤： 应变传感器实验模板说明： 实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。 1、根据图1〔应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R 2、R 3、R4和加热器上。传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。〕安装接线。 2、放大器输出调零：将图1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接(V i＝0)；调节放大器的增益电位器R W3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器R W4，使电压表显示为零。 3、应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图1接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1画出实验曲线。 4、根据表1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ， δ=Δm/y FS ×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：y FS 满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。实验完毕，关闭电源。 五、思考题： 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
实验二金属箔式应变片半桥性能实验 一、实验目的 比较半桥与单臂电桥的不同性能，并了解其特点。 二、基本原理 不同方向受力的两片应变片接入点桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压，比单臂电桥灵敏度提高一倍。 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（每只约20g）、数显表、±15V电源数、±5V电源、数字万用表。 四、实验步骤 1、接入模板电源±15V，检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置；（2）将差放的正、负输入端与地短接，Vo1输出端与数显电压表输入端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)，完毕后关闭主控台电源。 2、根据图2-1接入传感器，R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力相反（一片受拉，一片受压），接入桥路电源+5V，先粗调节Rw1，再细调RW4使数显表显示为零。注意保持增益不变。 图2-1 应变片半桥性能实验接线图 3、在传感器托盘上放置1只砝码，读取数显表显示值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表2-1。 五、实验结果分析与处理 1、记录数显表数值如下：
表2-1：半桥测量时，输出电压与负载重量的关系： 2、由所得数据绘出半桥电桥的传感器特性曲线如下： 图2-2 半桥传感器特性曲线 由图可知，半桥的传感器特性曲线非线性得到了改善，电桥输出灵敏度提高。但是曲线起点不是零点，可能没有做到真正的调零。 3、（1）计算系统灵敏度： ΔV=（34.8-18.3）+（51.5-34.8）+? ?+（167.8-135.1）/9=（167.8-18.3）/9=16.61mV ? ΔW=20g S=ΔV/ΔW=0.831mV/g （2）计算非线性误差： Δm =（18.3+34.8+51.5+68.4+85.4+101.6+118+135.1+151.4+167.8）/10=93.23mV y FS=167.8mV δf =Δm / yFS×100%=55.6% 六、思考题 1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入点桥时，应放在：（1）对边？（2）邻边的位置？ 答：应放在邻边。
金属箔式应变片交流全桥实验报告 篇一：自动化传感器实验报告三__金属箔式应变片——全桥性能实验 实验三项目名称：金属箔式应变片——全桥性能实验 一、实验目的 了解全桥测量电路的原理及优点。二、基本原理 全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KE?。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。 三、需用器件和单元 传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤 1．根据图3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。 图3-1 应变式传感器全桥实验接线图 五、实验注意事项 1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。 2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。一、
实验目的 了解全桥测量电路的原理及优点。二、基本原理 全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03 ＝ 1 KE?。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到明显改善。 三、需用器件和单元 传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤 1．根据图3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。 表3-1全桥输出电压与加负载重量值 图3-1 应变式传感器全桥实验接线图 2 五、实验注意事项 1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。 2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。六、思考题
实验一 金属箔式应变片测重及三种直流电桥性能比较实验 实验1：金属箔式应变片单臂电桥测重实验 一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。比较单臂/半桥/全桥的不同性能，了解其特点。 二、实验原理 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。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，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4。 三、实验器械 主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 2 1 位数显万用表（自备）。 四、实验接线图 五、实验数据记录和数据处理 实验数据如下： 实验数据拟合图像如下
由图像可见系统灵敏度S＝ΔU/ΔW=0.2162 δ=Δm/yFS ×100％=1.904/45.3×100％=4.203％ 六、思考题 1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压） 应变片（3）正、负应变片均可以。 答：正负皆可，因为应变片的受力都会直接导致电阻的变化，从而检测到相应的电压变化。 实验2：金属箔式应变片三种桥路性能比较实验 一、实验目的 比较单臂/半桥/全桥的不同性能，了解其特点 二、实验原理 半桥测量电路中，将两只应变片接入组成电桥，电桥输出灵敏度比单臂桥路有所提高，非线性也得到了改善，其桥路输出电压UO2＝EKε／2。全桥测量电路中，将R1、R2、R3、R4四个箔式应变片按它们的受力方向以一定的规律接入组成电桥，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1 ＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压UO3＝KEε，其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、实验器械 主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 四、实验接线图 略 五、实验数据记录和数据处理 半桥电路实验数据 全桥电路实验数据
实验报告 实验项目名称：金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较同组人 试验时间年月日，星期，节实验室K2，508传感器实验室指导教师 一、实验目的 1、了解金属箔式应变片，单臂、半桥、全桥的工作原理和工作情况。 2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间的关系。 二、实验原理 电阻丝在外来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：式中为电阻丝电阻 相对变化，K为应变灵敏系数，为电阻丝长度相对变化。同时，由于 应变片敏感栅丝的温度系数的影响，以及应变栅线膨胀系数与被测试件的线膨胀系数不一致，产生附加应变时，在被测体受力状态不变时，由于温度影响，输出会有变化。金属箔式应变片是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003-0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。 金属箔式应变的电阻变化范围很小，用欧姆表测量其阻值的变化十分困难，所以我们一般会用电桥来测试金属箔式应变的变化，将电阻的变化量转换成电压的变化量。 图6.1 应变电桥电路 由于电压源电桥的测试精度受电源电压波动影响，测量灵敏度也随之变化，所以本实验是有恒流源供电: ,
（2-1） 图6.1（a）为单臂电桥电路，R1为应变片电阻，R2、R3、R4为固定电阻 ,,代入式（2-1） 。 图6.1（b）为半桥电桥电路，R1、R2为应变片电阻，R3、R4为固定电阻 ,,代入式（2-1）。 图6.1（c）为全桥电桥电路，R1、R2、R3、R4为应变片电阻， ,,代入式（2-1）。 三、所需单元及部件 STIM-01模块、STIM-05模块;±15V电源、万用表;电子连线若干 四、实验步骤 一、单臂电桥性能实验 1、按图6.2连接好各模块，接上模块电源。 2、称重盘上不放任何东西，使STIM-01模块差动放大器上的增益调节到最大， 调节STIM-05模块上的电位调节旋钮，使STIM-01模块差分放大输出OUT1接近于0V（用万用表测得）。 3、调节STIM-01模块电压放大器上零位调节旋钮，使得VOUT输出0mV。 4、逐个放上砝码进行实验。记录实验数据。 二、半桥性能实验 1、按图7.1连接好各模块，接上模块电源 2、称重盘上不放任何东西，使STIM-01模块差动放大器上的增益调节到最大， 调节STIM-05模块上的电位调节旋钮，使STIM-01模块差分放大输出OUT1接近于0V（用万用表测得）。 3、调节STIM-01模块电压放大器上零位调节旋钮，使得VOUT输出0mV。 4、逐个放上砝码进行实验。记录实验数据。 三、全桥性能实验 1、按图8.1连接好各模块，接上模块电源。
1．金属电阻应变片的种类金属电阻应变片种类繁多，形式多样，但常见的基本结构有金属丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式应变片。其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。 2．电阻应变片的结构金属丝式电阻应变片由敏感栅、基底、盖层、黏合层和引线等组成。图2-2为金属丝式应变片的典型结构图。其中敏感栅是应变片内实现应变——．电阻转换的最重要的传感元件，一般采用的栅丝直径为0. 015～ mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，L为栅长，n为基宽。根据不同用途，栅长可为～200 mm。基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速、准确地传递到敏感栅上，因此基底做得很薄，一般为0. 02～ mm。盖层起防潮、防腐、防损的作用，用以保护敏感栅。用专门的薄纸制成的基底和盖层称为纸基，用各种黏合剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基，现多采月后者。黏合剂将敏感栅、基底及盖层黏合在一起。在使用应变片时也采用黏合剂将应变片与被测件黏牢。引线常用直径为～ mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。 金属箔式应变片的基本结构如图2-3所示，其敏感栅是由很薄的金属箔片制成的，厚度只有0. 01～ mm，用光刻、腐蚀等技术制作。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地随同试件变形。此外与金属丝式应变片相比，金属箔式应变片还具有散热性能好、允许电流大、灵敏度高、寿命长、可制成任意形状、易加工、生产效率高等优点，所以其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。 但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值的调整。对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求如下。 ①灵敏系数K。值大，并且在较大应变范围内保持常数。 ②电阻温度系数小。 ③电阻率大。 ④机械强度高，且易于拉丝或辗薄。 ⑤与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小。
厦门大学嘉庚学院传感器 实验报告 实验项目：实验一、二、三 金属箔式 应 变片 ——单臂、半桥、全桥 实验台号： 专 业： 物联网工程 年 级： 2014级 班 级： 1班 学生学号： ITT4004 学生姓名： 黄曾斌 实验时间： 2016 年 5 月 20 日 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，单臂电桥工作原理和性能。 二．基本原理 金属电阻丝在未受力时，原始电阻值为R=ρL/S 。 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： 式中R R /?为电阻丝电阻的相对变化，K 为应变灵敏系数，L L /?=ε 为电阻丝长度相对变化，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，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
输出电压： 1.单臂工作：电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；输出U O1 4/εEK =。 2.双臂工作：如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式； 半桥电压输出U O2 2/εEK =。 3.全桥方式：如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。全桥电压输出U O3 εEK =。 三．需用器件与单元 CGQ-001实验模块、CGQ-013实验模块、应变式传感器、砝码、电压表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备）。 四．实验步骤 1．根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模块的左上方的BF 1、 BF 2、BF 3、BF 4。加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，R BF1= R BF2= R BF3= R BF4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。 2．差放调零 3．电桥调零 4．在电子秤上放置一只砝码，读取电压表数值，依次增加砝码和读取相应的电压表值，直到200g 砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。 重量（g ） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 电压（mv ） 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.8 1 2.5 14 15.5 回程测量电压（mv ） 5．根据表1-1计算系统灵敏度S ，S=W u ??/（u ?输出电压变化量；W ?重量变化量）计算线性误差：δf1=y m /? F S ×100%，式中m ?为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：y F S 满量程输出平均值，此处为200g 测量出的电压。 ()() E R R R R R R R R U O 43213 241++-= 应变片 引出线 固定垫圈 固定螺丝 限程螺丝 模块 弹性体 加热丝 应变片 图1-1 应变式传感器安装示意图
金属箔式应变片 【实验目的】 1.了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况 2.验证单笔，半桥，全桥的性能及相互之间的关系 【实验原理】 1）传感器的组成 敏感元件、转换元件 2）静态特性 线性度、灵敏度、迟滞性、漂移等 3）动态特性 通常采用正弦和阶跃信号作为标准输入信号来分析传感器的动态特性：对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或称稳态响应，对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或称瞬态响应 2.应变片的类型和材料 1）金属丝式应变片 2）金属箔式应变片 3）金属薄膜应变片 3.应变片工作原理 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应，设有一根长度为L、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻R=ρ*L/S 当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长ΔL，横截面积相应较小ΔS，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变Δρ，固引起电阻值变化ΔR，对上式全微分，则有 ΔR/R=ΔL/L-ΔS/S=Δρ/ρ 也可以写成ΔR/R=K0ΔL/L K0 称为金属电阻的灵敏度系数，由材料的几何尺寸变化和压阻效应引起，对金属材料而言
K0 ≈1+2μ 4.应变片的测量电路 电阻应变片接入电桥电路通常有以下接法：如果电桥一个臂接入应变片，其他三个臂采用固定电阻，成为单臂工作电桥，如果电桥两个臂接入应变片称为双臂工作电桥，又称半桥形式，如果四个臂都接入应变片称为全桥形式 1）直流电桥的电流输出 当电桥的输出信号较大，输入端有接入电阻值较小的负载如检流计或光线示波器进行测量时，电桥将以电流形式输出 2）直流电桥的电压输出 当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大，这时电桥以电压的形式输出，输出电压即为电桥输出端的开路电压 3）差动放大电路 为提高输出电压的变化量，可以在电压输出端增加直流差放电路。差动式直流放大电路是一种特殊的直接耦合放大电路，要求电路两边的元器件完全对称，即俩管型号相同、特性相同、个对应电阻值相等。 【实验仪器】 直流恒压源DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、电桥模块、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔接口平台和传感器实验台一。 旋钮初始位置： 直流恒压源DH-VC2±4V档，万用表打到2V档，差动放大增益中间位置 【实验内容】 1.了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔 式结构小方薄片。上下二片梁的外表各贴二片受力应变片。 2.将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的 输出端与F/V表的输入插口V i相连；开启主电源；调节差动放大器的增益到最大位置（顺时针将差动放大器的增益旋钮调整到最大），然后调整差动放大器的调零旋钮，直至使F/V表显示为零。关闭主电源，并将差动放大器的正（+）、负（-）极短接线全部撤去。