传感器综合实验报告
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传感器综合实验
实验目的
1. 了解应变电桥的原理、特性和用途；
2. 研究应变电桥电路的各种变化，比较直流单臂电桥、直流差动全桥的电
路特性。
3. 通过实验学会集成运算放大器及不平衡电桥的一些调节方法。
实验原理
1. 电阻应变片
电阻应变片是一种能将被测试件上的应变变化转换成电阻变化的敏感元件。
它是应变式传感器中的主要组成部分。
使用时可以将它直接粘贴在被测试的各待测部位，也可以与弹性元件（如悬臂梁）粘贴再一起制成力传感器、压力传感器或加速度传感器。
应变式传感器具有广泛的用途。
例如，它可以检测机械装置或建筑构件各部分的力学状态，如应力、应变、振动、冲击、响应速度、同步情况、离心力及不平衡力的大小等；也可用于电子称、汽车衡、轨道衡及各种给料系统。
电阻应变片主要有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类，其中金属电阻应变片按结构又分为金属丝电阻应变片和金属箔式电阻应变片两种。
电阻应变片使用时通常接成一个电桥电路，从而将力学量（如应力）的变化转换成电桥的不平衡电压输出。
因此电阻应变片也是一种力电转换元件。
导体的电阻随机械变形而发生变化的现象，称为电阻应变效应。
金属电阻应变片就是根据电阻应变效应制成的。
众所周知，金属材料的电阻R 与其电阻率ρ、长度L 、横截面积A 有关，满足电阻定律
A
L R ⋅
=ρ （1）
若对金属电阻丝施以沿长度方向的均匀应力（轴向应力），则电阻丝的电阻将发生变化：
dA A
L dL A
d A L dR ⋅-
⋅+
⋅=2
ρρρ
其相对变化为
A
dA L
dL d R dR -
+
=ρ
ρ
（2）
可以证明，金属丝电阻的相对变化与其轴向应变)(L dL =εε成正比关系，即
ε
⋅=k R dR （3）
式中k 称为金属丝的应变灵敏系数，在这里的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
2. 力或质量的测量
在CSY 型传感器实验仪箱体的顶部布置有若干传感器，其中有四片金属箔式应变片，粘贴在左边一只悬臂式双孔弹性元件的上下两个端面上，组成一个应变弹性体，如图1所示。
梁的一端固定在仪器箱顶部，而在自由端装有一只托盘。
当托盘中加上质量为
的法码时，梁发生弯曲。
电阻应变片
也随之发生相应形变。
根据虎克定律，在弹性限度内，应变与应力成正比，即
εσ⋅=E 或
/
σε=
且 m k ⋅'=σ
m
K R
d R ⋅=
利用悬臂梁和应变片的组合，就可进行力或质量的测量。
3. 直流应变电桥
想要用电表显示或计算机处理测量值的大
小或变化，应变片电阻的变化必须转换成电压的变化，通常采用不平衡电桥来完成这一转换如图电桥电路中，若
3421//R R R R =
则电桥达到平衡，输出电压0=OUT U 。
若四个桥臂中有一个是应变片，也称单臂应变电桥，悬梁臂受外力作用时，应变片电阻变化R ∆，电桥平衡被打破，输出不平衡电压
U R R R R R R
R U O U T ⋅∆+++∆⋅=
)
)((43211
设桥臂比n R R R R ==3421//，并考虑到R R ∆>>3
U
R R n n U OUT ⋅∆⋅
+=
3
2
)
1(
为了提高应变电桥输出信号的强度，可将单臂电桥电路改成半桥电
路或全桥电路。
图中带有
箭头的电阻代表应变片电阻，箭头向上表示悬臂梁式弹性元件形变时该应变片被拉长，电阻增加；而箭头向下表示悬臂梁式弹性元件形变时该应变片被压缩，电阻减小。
图示半桥电路和全桥电路中，四个应变片具有相同的参数（本仪器中的四个应变片电阻均为350Ω），相邻的两个应变片一个受拉，一个受压，应变符号相反。
采用这样接法的应变电桥也称为差动电桥。
不平衡电桥也可采用交流供电，即以低频信号源供电。
特别是桥臂包含有容抗或感抗的场合，必须用交流供电。
4. 信号放大电路
通常情况下，应变发生时，应变片电阻R 的相对变化 ΔR/R 还是很小的，因此应变电桥输出的信号电压很微弱，一般在mV 数量级，必须加以放大。
实验内容
1. 直流单臂电桥特性
（1）按图4，在实验仪的前面板上，用带迭插式插头的专用导线先将差动放大器与数字电压表连好，将差动放大器的[增益]旋钮顺时针旋到最大，两输入端对地短接，然后开启仪器主电源及辅助电源。
这时因为差动放大器输入端对地
短接，输入电压为零，输出电压也应为零；若数字电压表显示不为零，则调节差动放大器[调零]旋钮，使显示为零。
（2）按图4，接好应变电桥。
仪器提供的应变片及桥路元件R1 ~ R3的电阻值均为350Ω，在无应变发生时，电桥应达到平衡。
但实际上各元件的阻值难以严格一致，故加有W、r组成的桥路调零电路。
将应变电桥与电源及差动放大器连好，调节W旋钮，使数字电压表再次显示零。
此时，实验电路的连接及预调完成。
（3）在称重托盘中放入一个砝码（仪器配套砝码，每个质量为20g），读出输出电压数值U，然后依次递增砝码个数至10，读出相应电压数值Ui。
（4）将实验数据
m、i U列表，作U ~ m图，并求直线的斜率。
i
2. 直流差动半桥特性
保持差动放大器增益不变，关副电源（避免损坏差动放大器），将图4的单臂应变电桥改接为差动半桥，改接完毕再开副电源，重复上述步骤（1）~（4）。
3. 直流差动全桥特性
仍保持差动放大器增益不变，将图4的单臂应变电桥改接为差动全桥，重复上述步骤（1）~（4）。
4. 比较三种电桥的灵敏度。
