电阻应变式传感器
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实验名称 电阻应变式传感器 实验地点 健翔桥实验室 实验时间 2012-3-25
1. 实验目的：
（1） 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。
（2） 了解全桥测量电路优点。
2. 实验设备：
应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)
3. 实验原理及内容：
1） 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
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，电桥的输出电压反应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
2） 金属箔式应变片——全桥性能实验
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，不同的接入邻边，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=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。
4. 实验步骤：
1） 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
（1） 预习并写出预习报告；
（2） 根据图2-1应变式传感器已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
图2-1 应变式传感安装示意图
（3） 接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板调节增益电位器Rw3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端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)。关闭主控箱电源。
（4） 将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥(R5、R6、R7模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图2-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。
图2-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图
（5） 在电子称上放置一只砝码，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500g(或200g)砝码加完。记下实验结果填入表2-1，关闭电源。
（6） 根据表2-1计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)计算线性误差：δf1=Δm/yF·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：yF·S满量程输出平均值，此外为500g或200g。 2） 金属箔式应变片——全桥性能实验
（1） 传感器安装同实验（一）。
（2） 根据图2-4接线，实验方法与实验（二）相同。将实验结果填入表2-3；进行灵敏度和非线性误差计算。
图2-4 全桥性能实验接线图
5. 实验结果及分析：
1) 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
表2-1
重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
电压（mv） 0.09 7.9 14.7 20.3 26.9 32.7 38.9 45.0 51.4 57.6 63.7
2) 金属箔式应变片——全桥性能实验
表2-3
重量（g） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
电压（mv） 0.00 0.02 0.05 0.08 0.10 0.13 0.16 0.18 0.21 0.23 0.26
利用matlab最小二乘法进行数据处理有：
1) 单臂电桥性能实验
实验程序：
coords=[0:20:200;0.09 7.9 14.7 20.3 26.9 32.7 38.9 45.0 51.4 57.6 63.7]
grid
hold plot(coords(1,:),coords(2,:),'o');
x=coords(1,:)
y=coords(2,:)'
plot(x,y,'b')
b=size(coords)
c=ones(1,b(2))%返回一个1×b(2)元素为1的矩阵
MT=[c;x]
M=MT'
f=inv(MT*M)*MT*y
['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))]
y=f(2)*x+f(1)
plot(x,y,'g')
mistake=max(x-y)/(max(y)-min(y))
fprintf('电阻的传感器的灵敏度s=%5.3f%%\n',abs(f(2)))
fprintf('非线性误差f=%5.3f%%\n',mistake)
plot(x,y)
xlabel('m/g')
ylabel('V/mv')
title('单臂电桥性能试验')
legend(['y=',num2str(f(2)),'x+',num2str(f(1))])
%Current plot held
%s=(y(6)-y(2))/60
%detam=abs(yy-coords(2,:))
%max(detam)
%detaf1=max(detam)/max(y)
试验结果：
x =
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
y =
0.0900
7.9000
14.7000
20.3000
26.9000
32.7000
38.9000
45.0000
51.4000
57.6000
63.7000
b =
2 11
c =
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
MT =
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
M =
1 0
1 20
1 40
1 60
1 80
1 100
1 120
1 140
1 160
1 180
1 200
f =
1.3650
0.3129
ans =
y=0.31289x+1.365
y =
1.3650 7.6227 13.8805 20.1382 26.3959 32.6536 38.9114 45.1691
51.4268 57.6845 63.9423
mistake =
2.1742
电阻的传感器的灵敏度s=0.313%
非线性误差f=2.174%
2) 全桥性能实验
x =
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
y =
0
0.0200
0.0500
0.0800
0.1000
0.1300
0.1600
0.1800
0.2100
0.2300
0.2600
b =
2 11
c =
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
MT =
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 M =
1 0
1 20
1 40
1 60
1 80
1 100
1 120
1 140
1 160
1 180
1 200
f =
-0.0018
0.0013
ans =
y=0.0013091x+-0.0018182
y =
-0.0018 0.0244 0.0505 0.0767 0.1029 0.1291 0.1553 0.1815 0.2076
0.2338 0.2600
mistake =
762.8958%
电阻的传感器的灵敏度s=0.001%
非线性误差f=762.896%
6. 实验总结：
思考题：
1) 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
（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。
（2） 请解释本实验中的“信号获取电路”的原理及电路参数。
