1、传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系生物医学传感器实验讲义主编：余学飞副主编：卢广文 李喆南方医科大学生物医学工程学院医学工程系2006 年 8 月传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系目录传感器的基本特性概述 2实验一 电阻应变片传感器的灵敏度测量 5实验二 电阻应变片的温度特性17实验三 金属箔电阻应变片传感器的特性研究19实验四 金属箔电阻应变片传感器的应用23实验五 光纤传感器位移测量26实验六 光敏传感器测量转速33实验七 霍尔传感器的特性研究和应用39实验八 差动螺管式电感传感器位移、振幅测量46实验九 差动螺管式电感传感器的特性研究50实验十 电
2、涡流传感器的特性研究53实验十一 电涡流传感器的应用58实验十二 热电式传感器的特性研究60实验十三 磁电、压电、电容传感器的特性研究66传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系传感器的基本特性概述一、静态特性静态特性是指被测输入量不随时间变化时传感器的输入输出关系，衡量传感器静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞性、漂移等。1线性度理想传感器的输出 y 与输入 x 应呈线性关系，即 xay1其中， 为传感器的线性灵敏度。1a实际传感器的输出 y 与输入 x 呈非线性关系，如果不考虑迟滞和蠕变因素，则 nxxa210式中， 是输入量为零的输出量， 是线性灵敏度， 是非线性系数。
3、0 2a如果采用两个特征相同的传感器差动组合，可有效地改善非线性特性，因为，此时两传感器的输出之差 5312xaxy具有这种特性的传感器在原点附近较大范围内就接近线性关系，并有较高的灵敏度，该区域为线性区，如图 A-1 中曲线的 ab 段。此时，可用直线（切线或 割线，如图中虚线表示）来拟合实际曲线，使传感器输入特性线性化。实际特性曲线与拟合直线间的偏差程度就称为传感器的线性度，通常用相对误差 表示，即L%10yAL式中，A 为最大偏差， 为满量程输出。0图 A-1 传感器静态特性曲线传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系图 A-2 传感器的灵敏度线性度有时也称非线性误差，用以
4、衡量传感器输出量与输入量之间线性关系的程度，以及直线拟合的好坏。常用的直线拟合除端点拟合法外，还有切线拟合、最小二乘法等方法。2灵敏度传感器在稳态下输出变化量与输入变化量之比称为灵敏度 ，即nSdxySn对于理想线性传感器，灵敏度 为常数；对于一般传感器则采用线性区或拟合直线的斜率表示，见图 A-2 所示。通常，测量点取在零点附近时线性度好，灵敏度也高。3迟滞性它是指传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间的输出输入曲线不重合的程度，见图 A-3 所示。迟滞大小用迟滞误差表示，通常由实验确定。即 %102maxyH式中， 为正反行程输出值的最大差值。迟滞差是由与传感器的响应受到输入过m
5、axH程影响而产生的，它的存在破坏了输入和输出的一一对应关系，因此，必须尽量减少迟滞差。4漂移漂移是指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着的与被测输入量无关的、不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。漂移又分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定条件下，零点或灵敏度随时间缓慢变化。温度漂移为环境变化而引起的零点或灵敏度的漂移。二、动态特性动态特性是指传感器输出对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器的输出不仅要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律（即被测量的波形） ，因此，传感器的输出量也是时间的函数。在实际中，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，它们之间的这种
6、差异，就是要分析的动态误差。动态误差包括两个部分：一是实际输出量达到稳定状态后与理论输图 A-3 迟滞特性传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系出量间差别；二是当输入量发生跃变时，输出量由一个稳态到另一个稳态之间过渡状态中的误差。由于传感器输入量随时间变化的规律各不相同，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） 。研究传感器的动态特性主要是为了从测量误差的角度来分析产生动态误差的原因以及提出改善的方法。传感器实验教程 南方医科大学生物医学工
7、程学院医学工程系电阻应变片传感器在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现非电量电测目的的，它们统称为电阻式传感器。由于各种电阻材料受被测量（如位移、应变、压力、温度、加速度等）作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器的种类多、应用范围广。其中常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器。实验一 电阻应变片传感器的灵敏度测量实验目的1. 了解电阻应变片的转换原理。2. 了解直流应变桥的特性，比较单臂、半桥、全桥对传感器灵敏度的影响。3. 比较不同电阻应变片组成的应变电桥的特性。4. 掌握电阻应变传感器电压输出灵敏度的测量方法。5. 比较直
8、流、交流电桥灵敏度以及不同激励频率对传感器灵敏度的影响。实验原理1电阻应变片的转换原理电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路组成。被测力学量作用在一定形状的弹性元件（如悬臂梁、双孔悬臂梁等）上使之产生形变，这时，粘贴在上面的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为电阻值的变化，之后，采用变换测量电路将电阻的变化转化为电压的变化，作为输出量。使用最多的电阻应变敏感元件是金属或半导体电阻应变片。考察一段圆截面的导体（金属丝或半导体丝） ，图 1-1，设其长为 L，截面积为 A（直径为 D） ，电阻初值为 R，则（1-1） 图 1-1 金属丝拉伸后的电阻变化式中， 为金属丝
9、的电阻率。当导体丝受到轴向力 F 而被拉伸（或压缩）产生形变时，其电阻值随之变化。对（1-1）式两边取对数后微分得：（1-2）dALRd传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系式中， （材料轴向线应变）Ld/（1-3 ）DdA/2/根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，有 L/则 （1-4）式中， 为导体材料的泊松比。将（1-3） ， （1-4）代入（1-2 ）式得（1-5）dLRd21对于金属导体或半导体，上式末项中电阻率相对变化的受力效应不一样，分别讨论如下：（1）金属材料的应变电阻效应。实验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为：（1-6）vdc式中，c
10、 为常数（由材料和加工方式决定） ， 。将式（1-6）代入21AdL（1-5） ，且当 时，可得：R（1-7 ）mKc21式中， 为金属丝材料的应变灵敏系数。此式表明，金属材料电阻21Km的相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。（2）半导体材料的应变电阻效应。对半导体材料施加应力时，除了产生形变外，材料的电阻率也要发生变化，这种现象称为压阻效应。很早发现，锗、硅等单晶体半导体材料具有压阻效应，扩散硅压阻式传感器就是应用半导体压阻效应而制成的压力传感器。半导体材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为：（1-8 ）Ed式中 为作用于材料的轴向应力， 为半导体材料在受力方向
11、的压阻系数，E 为半导体材料的弹性模量。将（1-8）代入（ 1-5） ，并写成增量形式可得传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系（1-9 ）sKER21式中， 为半导体材料的应变灵敏系数。由式（1-7）和式（1-9 ）可得导Ks电丝材料的应变电阻效应为（1-10 ）0式中， 一导电丝材料的应变灵敏系数。0对于金属材料， ，它由两部分组成：前部分为受力后210cKm金属丝几何尺寸变化所致，一般金属 ，因此 ；后部分为电阻率随应3.06.1变而变的部分。以康铜为例， ，所以此时 。显然，金4,c 0.20mK属丝材料的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对其它金属或合金， 。84对于半
12、导体材料， ，它也由两部分组成：前部分为尺寸变化Es210所致，后部分由半导体材料的压阻效应引起，且 ，因此半导体丝材的21sK0。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常 ，E msK805半导体材料的灵敏度高于金属材料。2直流应变桥的工作原理和特性应变片将试件应变 转换成电阻相对变化 后，由测量电桥将应变片的电阻Ld/ R变化按一定比例转换成电压或电流的变化，之后输至放大器放大。测量电桥具有灵敏度高，测量范围广，容易实现温度补偿等优点。根据所用电源的性质不同，测量电桥可分为直流电桥和交流电桥。当四个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥精确度高；若在桥臂中有阻抗存在，必须用交流电桥。鉴于
13、直流电桥与交流电桥的转换原理一致，基本公式也有相似的表达形式，为便于阐述，以直流电桥分析其工作原理和特性，其结果可推广到交流电桥。如图 1-2，在直流电桥中，四个桥臂由电阻 R1、R2、R 3 和 R4 组成。A、C 端接直流电源，称供桥端，U0 称供桥电压；B、D 端接负截 Rg，称输出端。当四个桥臂电阻 R1=R2=R3=R4=R 时，称为全等臂电桥，当时，称为对输1,出对称电桥；当 R3241,时，称为对电源对称电桥。 图 1-2 直流电桥原理（1）直流应变电桥的转换原理。传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系由于电桥输出端后接的放大器的输入阻抗很高，故可以认为电桥的负载
14、为无穷大（负载电阻 ） ，此时电桥输出端相当于开路状态，只能输出电压信号（输出电流为零） ，称gR为电压输出。在图 1-3 中，根据分压原理：在电桥 ABC 支路的 R2 上的电压降 ，在 ADC 支路的 R3 上的电压210RUBC降 ，则输出电压 图 1-3 电桥的电压输出430D（1-43210210430 RURRUUBCB 11）由式（1-11）可知，当电桥各桥臂电阻满足如下条件时： 或 ，则电4231241桥输出电压为零，即电桥处于平衡状态。在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡） ，使得输出电压只与应变片因感受应变而引起的电阻变化有关。若电桥中仅一个桥臂 R1 为应变片，其余桥臂为
15、固定电阻，当 R1 感受应变而电阻增大且 时，电桥的输出电压可通过对式（1-11 ）微分求得1R1（1-12 ）1210dUd因 很小（在一般的测量中都能满足这一点） ，故 ，上式可用增量表示为：1 dU（1-13 ）12101210 RR对于对输出对称电桥（ ） ， ，式 1-13 表示为：43, （1-14 ）KUU00210 对于对电源对称电桥（ ） ， ，式 1-13 表示为：RR324, 1（1-15 ）2020传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系对于全等臂电桥（R 1=R2=R3=R4=R） ， ，式 1-13 表示为：R1（1-16 ）KURU4000 在上述三
16、种应变电桥中，当桥臂的应变片电阻发生变化时，电桥输出电压也随之变化。当 时，其输出电压与电阻变化率 （或应变 ）成线性关系。在桥臂电阻发生R相同变化的情况下，全等臂电桥与对输出对称电桥的输出电压相同。它们的输出电压皆比对电源对称电桥的输出电源大。（2）直流应变桥的加减特性。电桥的四个臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的应变片因其受力拉伸或压缩使其电阻值发生变化，应变桥输出电压也将发生变化。当供桥电压一定且 时，对式 1-11iiR全微分即可求得电桥的输出电压增量： 4321 dRUdRUd 42324321210 dRd 42343243212210 RdRdRU由于全等臂电桥的 R1=R2=R
17、3=R4=R，上式可化简为：，当 时，此时可用增量式表示：432104ddii（1-17 ）43210 RRU当各桥臂应变片灵敏系数相同时：（1-18 ）432104K式 1-17 和 1-18 为电桥转换原理的一般形式，讨论如下：a）单臂工作时，桥臂 R1 为工作臂，且工作时电阻由 R 变为 ，其余各臂为固定电阻 ，则式 1-17 变为0432R传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系（1-19 ）KUR400b）两个相邻臂工作时， （见图 1-4）即桥臂 R1、R 2 为工作臂，且工作有电阻增量 、1R，而 R3 和 R4 臂为固定电阻 ，则243式 1-17 变为（1-20
18、）210210 KUU此时，当 时，则R， 图 1-4 两个相邻臂工作的电040桥当 时，则 RR21, KURU424200此时，电桥的输出比单臂工作时增大一倍，提高了测量灵敏度。c）两个相对臂工作时， （见图 1-5）即桥臂 R1、R3 为工作臂，且有电阻增量 、 ，而 R2 和13R4 臂为固定电阻，则式（1-17）变为（1-21）3103104KURU此时，当 时，则 图 1-5 两个相对臂工作电桥KURU424200当 时，则R31, 00Rd）全臂工作时， （见图 1-6）R 1=R2=R3=R4=R，都是工作臂， ，R31则式（1-17 ）变为42传感器实验教程 南方医科大学生物
19、医学工程学院医学工程系（1-22 ） KURRU444 000此时，电桥的输出是单臂工作时的四倍，比双臂工作时提高了一倍，灵敏度也提高了。由分析可知，当电桥中的相邻臂有异号（一个受拉，一个受压） ，或相对臂有同号（同受拉或受压）的电阻变化时，电桥能把各臂电阻变化引起的输出电压自动相加后输出；当电桥相对臂有异号，相邻臂有同号的电阻变化时，电桥能把各臂电阻变化引起的输出电压自动相减后输出。 图 1-6 全臂工作的电桥 上述特性即为电桥的加减特性，在连接电桥时应注意电阻变化方向或应变片的符号。在半桥和全桥测量中可通过不同的组合方式来提高测量灵敏度，或消除不需要的成分（如消除温度影响及非线性） 。（3
20、）应变桥的灵敏度。电桥的灵敏度 是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小。uS RRUR/4/ 43210令 n/4321则 （1-23）40USu式中，n 为电桥的工作臂系数。由此式可知，电桥的工作臂系数愈大，电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加 n 及测量灵敏度。3. 交流电桥的工作原理和特性在实际应用中，电阻应变片电桥都采用交流电桥。原因一，应变片电桥输出极弱，需要放大测量，而直流放大器容易产生零点漂移；原因二，应变片与桥路的连接容易引起分布电容，产生阻抗。交流电桥线路与直流电桥类似，只是各桥臂均为可含有 L、C、R 任意组合的复阻抗。交流电桥的输出特性方程
21、和平衡条件在形式上与直流电桥相似，但内容上却有不同。传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系1） 交流电桥的平衡条件。图 3-1 为交流电桥，Z 1、Z 2、 Z3、Z 4 为复阻抗，U 为交流电压源，开路输出电压产 U0。根据交流电路阻抗的复数表示和计算分析可得：（3-1）43210Z要满足电桥平衡条件，即 ，应有 图 3-1 交流电桥原0理或 （3-2）4231Z3421Z设四桥臂阻抗分别为 4,21,iejjxriii 上式中 为各桥臂电阻， 为各桥臂电抗， 和 分别为桥臂复阻抗的模值和幅角。将这ir ii些值代入式 3-2 中，得交流电桥的平衡条件（3-3 ）4231Z上
22、式说明，交流电桥平衡要满足二个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，同时其幅角之和相等。2） 交流应变电桥的电压输出特性和平衡调节。设交流电桥的初始状态是平衡的， 。当工作片应变电阻 改变 后，4231Z1R1引起 变化 ，可算出1Z1（3-4 ）431214301 ZZU略去上式分母中的 项，并设初始时， 则有：1 4321,1014ZU现举例说明。交流电桥如图 3-2 所示，其中 C1、C 2 表示应变片传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系导线或电缆分布电容。 ， ，为纯电阻：3RZ4（ 为供桥电源的角频率） 图 3-2 双臂交流电桥2211,CjCjRZ按式 3-2 可求
23、出 23231414Rjj由实、虚部分别相等，并经整理可得该交流电桥的平衡条件为 21432CR由于电桥各臂的阻值不可能绝对相等，导线电阻和接触电阻存在着差异；连接导线和应变片有分布电容存在使各桥臂电容值也不相等。所以，交流电桥必须进行电阻和电容平衡，否则会产生零位输出。电阻不平衡会带来非线性误差；容抗不平衡会影响电桥的灵敏度和输出电压的相移，产生与电源相位成 90的正交分量，导致放大器过早饱和。为此，在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。平衡调节线路如图 3-3 所示，R p与电位器 R5 组成电阻平衡调节，通过调节 R5，相当于改变并联在 R3 和 R4 桥臂上的 图 3-3电阻
24、大小；C p与电位器 R6 组成电容平衡调节，通过调节 R6 来改变并联到桥臂 R1 和 R2 上的阻抗。以此来实现应变片交流电桥的平衡调节。需用部件直流稳压源 、音频信号源及电压表（主机箱上） ；贴于主机双平行式悬臂梁V42上的金属箔式应变片和半导体式应变片各二片（其中一片 ，一片 ） ；应变式传感器实验模块；移相模块（上有差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器） ；螺旋测微头；示波器。实验内容及步骤内容 1金属箔、半导体电阻应变片传感器在直流激励下灵敏度测量和比较。步骤：6. 熟悉各部件配置，功能，作用方法，仔细阅读实验注意事项。传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系7
25、. 差动放大器调零：调整放大器的增益至最大；放大器的两个输入端短路接地；连线使主机为模块电路提供电源；通过调整使放大器的输出电压为零；调零结束后拆除短路线。8. 观察贴于悬臂梁上的应变计的位置与方向，按图 1-7 接测试桥路，其中，R1 、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R 为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片） ，图中每两个节点之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路；检查确认无误时才能连上应变桥的直流工作电压；更换应 图 1-7变片前先断开应变桥直流工作电源） ，将螺旋测微头装于应变悬臂梁前端永久磁钢上， （能向上、向下移动 5mm 为准，测微头端面与磁钢接
26、触良好。 ）调节测微仪使平行式悬臂梁基本处于水平位置。9. 电桥预调平衡：调节电位器 使系统输出为零。DW10. 旋动测微头带动悬臂梁分别作向上、向下位移运动（初始状态输出电压为零） ，每移动0.5mm 在下表中记录输出电压值。11. 分别将电桥接成半桥、全桥，重复实验步骤 3-5。12. 将金属电阻应变片换成半导体电阻应变片后，接成全桥，重复步骤 3-5。内容 2交流全桥电阻应变片传感器不同激励频率下灵敏度的测量和比较13. 按图 3-4 连接电路，确认无误后开启电源。图 3-414. 电桥预调平衡：悬臂梁大致水平，分别调节电位器 WD 和 WA 使系统输出基本为零，示波器接接相敏检波器端观
27、察波形。15. 用手将悬臂梁自由端往下压至最低，调节移相旋钮使相敏检波器端波形成为首尾相接传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系的全波整流波形。然后放手，悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中的 WD 和 WA 电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。16. 旋动测微头带动悬臂梁分别作向上、向下运动，每 0.5mm 记录一个输出电压值。17. 根据所测数据计算灵敏度 ；并在同一坐标图中绘制 Vx 曲线，比较其灵敏度和xvS线性。表 1 数据记录位移 Vmm 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0V 箔式单臂V 箔式半桥V 箔式全桥V
28、 半导体全桥V5k（ V）位移 Vmm -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0V 箔式单臂V 箔式半桥V 箔式全桥V 半导体全桥V5k（ V）注意事项1. 调零后模块上的“增益” 、 “调零”电位器均不应再变动。2. 注意带连接线的接插导线的使用方法；接插导线尽可能以短为宜，以避免引入干扰。3. 应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反电路无输出或输出很小。4. 直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。5. 更换应变片前，先断开应变桥激励电压；完成换片接线后，要同时调整相对
29、应的激励电压。6. 稳压电源不能对地短路。7. 由于进行位移测量时测微头要从正的最大值，又回复到零，再负的最大值，因此容易造成零点偏移，在此计算灵敏度时可将正 的灵敏度与负的 的灵敏度分开计算。再xx求平均值。传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系8. 进行上述实验时激励电压、差动放大器增益、 测微头起始点位置等外部环境必须一致否则就无可比较。9. 因为半导体应变片灵敏度很高，直流激励电压高时可能引起半导体应变计自热，一般情况下半导体应变片的激励电压宜采用 ，本实验中为了与金属应变片比较才使用 。V2 V410. 由于位移测量时容易造成零点偏移，在计算时可将正 和负 的灵敏度分
30、开计算，再x求平均值） 。11. 每次测量电压之前注意把电压表先置为 20V 档，以免超出量程而损坏电压表。12. 金属箔电阻应变片传感器（采用交流应变全桥）的灵敏度测量中，由于相移 与 有关，当改变频率时，必须重新调整移相器，以保证系统输出为零时，灵敏度为最高。思考题1. 拟在等截面的单臂悬梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成的差动电路，试问（1）四个应变片（金属箔式）怎样粘贴？（2）画出相应的应变桥路。图 1-8 图 1-92. 图 1-9 为一应变片直流电桥，其中 E=4V，R 1=R2=R3=R4=120，试求（1）R 1 为金属应变片，其余为固定电阻，当 R1 增量 时，电桥输出电压
31、 （2）R 1、R 2 为. ?0V应变片，且批号相同，感受应变片的极性和大小都相同，R 3、R 4 为固定电阻，问能否进行应变测量？（3）在题（2）中，如 R1 和 R2 感受应变片的极性相反，且，问输出电压？（4）由题（1）题（ 3）能否得出什么结论或推论？2.13. 为什么应变片传感器大多采用交流电桥为测量电路？电桥为什么通常采用半桥或全桥形式？4. 根据试验结果分析金属箔电阻应变片传感器的动态特性频率响应。实验附录1应变片的结构。利用导电丝材料的电阻应变效应，可制成测量试件表面应变的敏感元件。为在尺寸范围传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系内敏感元件有较大的应变输出，
32、通常把应变丝做成栅状的应变敏感元件，简称为应变片。应变片结构形式很多，但主要组成部分基本相同，见图 1-10。（1）敏感元件。它的作用是感受试件的变形，并将机械应变转换成电阻变化。用金属电阻丝（或箔）制成的敏感元件称敏感栅。它通常是用金属丝绕成栅状，或金属箔腐蚀成栅状。敏感元件的电阻值一般在 100 以上。（2）基底和覆盖层。作用是固定和保护敏感元件；当应变片粘贴在试件上后，与粘贴剂一起把试件的变 图 1-10 电阻丝式应变片的结构形传给敏感元件；使敏感元件与试件 1-敏感栅；2- 覆盖层；3-引出线；4-基底绝缘。基底很薄，一般为 0.020.04mm。（3）引出线。它起着敏感元件与测量电路
33、之间的过渡和引导作用。通常取直径约0.100.15mm 的低阻镀锡铜线或银线。（4）粘结剂。用它分别把盖层和敏感元件固结于基底；在使用时，用它把应变片基底粘贴在试件表面的被测部位。图 1-11，图 1-12 示出了金属箔式和半导体式两种典型敏感元件结构型式及其组成：图 1-11 箔式应变片 图 1-12 半导体应变片1-基底；2-单晶硅条；3-内引线；4-焊接电极；5-外引线2应变电桥的非线性。当 时，电桥的输出电压与应变片的电阻变化率 成线性关系。但对半导体R R应变片，由于 K 值很大，所以，当应变 较大时（其 值可达 10%）用线性关系式标出的电桥输出与电桥实际输出之间存在着很大的误差，
34、即称之为非线性误差。对于电压输出传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系的电桥，非线性误差 ，式中： 为电桥实际输出电压； 为%10Uf UU按线性关系计算的电桥输出电压。当 甚大时，应注意修正电桥非线性误差的影响，如增加工作臂数（对双臂或四臂） ，R在一定条件下可使电桥输出的非线性大大改善。采用差动电桥可消除非线性误差。在右（a）图中，两个应变片一个受拉，一个受压，它们阻值变化大小相等、符号相反，工作时将两个应变片接在电桥的相邻臂内，如 和 ，1R2这种桥路结构称为半桥差动电路。在右（b）图中，粘结四个工作应变片，两个受拉，两个受压，将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂内
35、，符号不同的接在相邻臂内，这种桥结构称为全桥差动电路。半桥差动电路的输出电压 URRU4321210若电桥初始平衡，则 成立，在对称情况下， 在根据两应变342 4321,R片的电阻变化特征，即 ，则上式21R102RU同理，全桥差动电路的输出电压 ，而单臂电桥的输出电压1210，由于忽略分母中的“微小项” ，才得到 。11024RU1R104RU三式比较，可知差动电桥不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度也提高，同时还能起温度补偿作用。传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系3应变梁位置和结构。应变片位于仪器工作台部分的上边，是一付双平行悬臂梁，如图 1-13 所示：其上梁的上表面
36、和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号 和 表示。其中，六片为金属箔式应变片（BHF350 ） ，横向所贴的两片为温度偿片，用符号 和 表示，片上标有“BY”字样的为半导体应变片，其灵敏系数为 130。4金属箔电阻应变片型号、代号说明。型号 BHF350，代号说明： 图 1-13 应变梁结构图B箔式（类别） ，H环氧类（贴结剂） ，F类（基底材料） ，350电阻值 。5相敏检波器接插端序数说明如图 3-5（1）信号输入端， （ 2）交流参考电压输入端， （3）信号输出端， （4）直流参考电压输入端， （5） 、 （6）附加观察插口， （7） 、 （8）接地端。2简要说明音频振
37、荡器，差动放大器，移相器、相敏检波器、低通滤波器的功能和作用。音频振荡器：产生幅值稳定，波形失真小，一定频率的正弦波电压作为交流全桥的供桥电压和相敏检波器的交流参考电压。差动放大器：将电桥输出的微弱电压信号进行不失真的放大。其具有高稳定性，温度、电源电压等波动的影响减至最小，从而能减小非线性失真。移相器：改变输入信号的相位，使其产生相移。如常增益移相器相移 。 12RCarctg其中，正号表示移相后相位超前，负号表示相位滞后。电阻 R 可在较大范围内变化，从而改变相位。当 RC 不变时，相移 随输入信号的频率 变化。交流电桥工作时增大相角差可提高输出灵敏度。相敏检波器：当输入调幅信号时，它能还
38、原与被测信号（应变信号）相同的波形， （去掉调幅波中的高频载波）反映幅值的大小。它还能鉴别相位，辨别原来被测信号的极性（应变的正、负） 。低通滤波器：能通过低频信号，抑止高频信号。滤波效果取决于 RC 滤波时间常数 ， 越大，高频信号（包括噪声）滤除越多，但 过大会使信号 失真。图 3-5传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系实验二 电阻应变片的温度特性实验目的1了解温度变化对应变测试系统的影响。2熟悉应变电桥温度补偿的方法。实验原理1应变片的温度特性。当环境温度变化时（偏离应变片的标定温度） ，粘贴在试件（试件未受外力的作用，且可以自由伸缩）上的应变片电阻值也将随着发生变化。
39、如果此时应变片接入应变仪，将会有应变输出。这种由于温度变化引起应变输出称为热输出。 （这种热输出会给测量带来附加误差，也称应变片的温度误差） 。产生热输出的主要原因，是标称电阻值发生变化及敏感元件附加变形产生附加电阻。（应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试中的膨胀系数不同） 。半导体应变片由于其电阻和灵敏系数的热稳定性差、温度系数较大， （半导体材料灵敏系数是金属材料灵敏系数的5080 倍，受温度影响大） ，因而受温度影响引起的热输出会更大。2应变片电桥温度补偿方法。环境温度变化所引起的热输出较大，给测量会带来较大的误差，必须采取温度补偿措施以尽量减小或消除它的影响。这里采用补偿片法进行应变桥
40、温度补偿。如图 2-1 所示。在电桥中，R 1 为工作片，R 2 为补偿片，R 1=R2。当温度变化 图 2-1时两应变片的电阻变化 与 符号相同，数量相等，桥路如原来是平衡的，则温度变1化后 ，电桥仍满足平衡条件，无漂移电压输出，由于补偿片所贴位置与工作3241片成 90，所以只感受温度变化，而不感受悬臂梁的应变。实验部件直流稳压源 ， 、金属箔电阻应变片、半导体应变片、电桥、差动放大器、V电压表、测微头、加热器、与应变片处于同一感温面的热电偶或 P-N 结集成温度传感器等。实验内容传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系1金属箔电阻应变片的温度效应。按图 2-2 接线，开启电
41、源，调整悬臂梁水平位置，调整差动放大器输出为零，调整系统输出为零。用相应的温度传感器测得加热前测试系统感受的温度。 （注意保护薄膜内外的温差有时可达 10）开启“加热”电源，观察测试系统输 图 2-2出电压随温度升高而发生的变化。待电压读数基本稳定后记下电压值。求出温度漂移值 。TV/2应变片电桥的温度补偿。按图 2-3 接好线路，图中 和R分别为箔式工作片和补偿片。R重复上实验步骤，求出接入补偿 图 2-3片后系统的温度漂移，并与上面实验的结果进行比较。3半导体电阻应变片的温度效应。按图 2-4 接线， 是半导体应变片，1R另一臂电阻是电桥上固定电阻。开启电源后预热数分钟至系统基本稳定。 图
42、 2-4按单臂电桥实验步骤调整悬臂梁水平位置，差动放大器输出调零（电压表置 20V 档） ，调系统输出为零。用温度传感器测得加温前的工作温度 T。打开“加热”开关，观察随温度升高系统输出电压温漂情况。待电压稳定后测得温升，求出系统的温漂 。TV/注意事项1金属箔电阻变桥激励电压 ，半导体电阻应变桥激励电压为 。V4V22仪器中使用的 BHF 型金属箔电阻应变片具有防自蠕变性能，因此温度系数还是比较小的，而半导体片由于温度系数大，所以非常不容易稳定。3应正确选择补偿片。应变片从左至右的 8 对接线端中分别是：1-上梁半导体应变工作片，2- 下梁半导体应变工作片，3、5- 上梁金属箔应变工作片，4
43、、6-下梁金属箔应变工作片，7、8- 上梁金属箔温度补偿片。应变桥路中工作片与补偿片应在同一应变梁上。思考题传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系在应变悬臂梁上，温度补偿片为何横向粘贴？传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系实验三 金属箔电阻应变片传感器的应用实验目的熟悉电阻应变片传感器的应用。实验原理1金属箔电阻应变片交流全桥测量振幅。在试件（双平行悬臂梁）受到不同频率的信号（应变信号）激励时，其振幅不同，带给应变片的应力不同，应变桥转换后输出电压信号的幅度也不同。当激励频率和试件的固有频率相同时，产生共振。此时，应变桥输出电压幅度为最大。2金属箔电阻应变片交
44、流全桥组成电子秤称重。试件在单向力的作用下产生的应力经应变桥和测量电路会输出相应的电压；在称重平台（置于磁钢上）上对已知等重砝码逐步标定，测得相应的线性数据和关系曲线，当对未知重物标定时，根据 WV 曲线，用插入法可大致确定其物重。实验部件1振幅测量。交流应变全桥（箔式应变片） 、平行式悬臂梁、音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、数字电压/频率表、示波器。2电子秤称重。音频振荡器、交流应变全桥（箔式应变片） 、平行式悬臂梁、差动放大器、相敏检波器、低通滤波器、10 个 20 克砝码、称重圆平台。实验内容1金属箔电阻应变片传感器测量振幅。图 4-1传感器实验教程 南方医科大学生物医学工程学院医学工程系实验电路如图 4-1。调节应变电桥时要使系统输出为零，且灵敏度为最大。悬臂梁受到的激励频率（应变信号）由低频振荡器输出后接至激振线圈 II产生。见图 4-2。悬臂梁开始振动（先移去测微头） ，振幅不宜过大，否则会造成应变片损坏。观察差动放大器输出波形（为一调幅波，其频率和低频振
