实验一、二 电阻应变片传感器特性实验
一、 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．比较半桥，全桥测量电路与单臂电桥的不同性能、了解各自的特点。 二、 基本原理：
敏感元件—金属箔在外力作用下，其电阻值会发生变化。即金属的电阻应变效应。根据推导可以得出：
????l?R?l???l?（1?2?）??（1?2??）?k0Rl??llll
“应变效应”的表达式。k0称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k0受两个因素影响，一个是（1+2?），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是而言，以前者为主，则
??（??），是材料的电阻率?随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料
0k0?1?2?，对半导体，k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k0=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??E? （4）
式中 σ——测试的应力； E——材料弹性模量。
可以测得应力值σ。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。
单臂电桥：即应变片电阻接入电桥的一臂，测出其电阻变化值，结构比较简单，但是灵敏度较差；
半桥：把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UO2＝EGε／2。式中E为电桥供电电压。
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＝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明显改善
三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表。 四、实验内容与步骤：
1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。
R1R2R3 R4图1－1 应变式传感器安装示意图 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图
2、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，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，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电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw3，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。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）
3、按图1-2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、
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R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）如图1-2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。
4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。 表1－1单臂电桥输出电压与所加负载重量值 重量(g) 电压(mv) 5．根据表1－1计算系统灵敏度S??U/?W（?U输出电压的变化量，?W重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS ×100％ 式中?m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g.
6．根据图1-3接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1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。接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行
?桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度S2??U/?W，非线性误差f2。若实验
时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。
图1-3 应变式传感器半桥实验接线图 图1-4 应变式传感器全桥实验接线图
表1－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量（g） 电压（mV） 7．根据1-4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1-3；进行灵敏度和非线性误差计算。 表1－3全桥输出电压与加负载重量值 重量（g） 电压（mV） 五、实验注意事项：
2
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，否则可能烧毁应变片。 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。
2、 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。
3、 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效
应是非线性的（3）调零值不是真正为零。
4．全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。
5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图1-4 应变式传感器受拉时传感器周面展开图
七、实验报告要求：
1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。 2、从理论上分析产生非线性误差的原因。
3．根据所记录的数据绘制出半桥和全桥时传感器的特性曲线
4．比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。
实验三 电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。
一、 基本原理：利用平板电容C＝εS／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、d中三
个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变S）等多种电容传感器。变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为：
C?2??l （1）
ln?r2r1?式中 l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度； 当两圆筒相对移动?l时，电容变化量?C为
r2、r1——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
?C?2??l2???l??l?2???l?l （2）
???C0ln?r2r1?ln?r2r1?ln?r2r1?l于是，可得其静态灵敏度为：
kg??C?2???l??l?2???l??l??4?? （3） ???/?l???l?ln?r2r1?ln?r2r1??ln?r2r1? 3