1、传感器综合实验前提：电 阻 应 变 式 传 感 器电 阻 应 变 式 传 感 器 以 电 阻 应 变 计 为 转 换 元 件 的 电 阻 式 传 感 器 。 电 阻 应变 式 传 感 器 由 弹 性 敏 感 元 件 、 电 阻 应 变 计 、 补 偿 电 阻 和 外 壳 组 成 ， 可 根 据 具体 测 量 要 求 设 计 成 多 种 结 构 形 式 。 弹 性 敏 感 元 件 受 到 所 测 量 的 力 而 产 生 变 形 ，并 使 附 着 其 上 的 电 阻 应 变 计 一 起 变 形 。 电 阻 应 变 计 再 将 变 形 转 换 为 电 阻 值 的变 化 ， 从 而 可 以 测 量 力
2、 、 压 力 、 扭 矩 、 位 移 、 加 速 度 和 温 度 等 多 种 物 理 量 。传 感 器 中 的 电 阻 应 变 片 具 有 金 属 的 应 变 效 应 ， 即 在 外 力 作 用 下 产 生 机 械 形 变 ，从 而 使 电 阻 值 随 之 发 生 相 应 的 变 化 。 电 阻 应 变 片 主 要 有 金 属 和 半 导 体 两 类 ，金 属 应 变 片 有 金 属 丝 式 、 箔 式 、 薄 膜 式 之 分 。 半 导 体 应 变 片 具 有 灵 敏 度 高（ 通 常 是 丝 式 、 箔 式 的 几 十 倍 ） 、 横 向 效 应 小 等 优 点 。一实验目的（1）加深对应
3、力和应变概念的理解;（2）了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况;(3)验证单臂，半桥，全桥的性能及相互之间关系；（4）了解温度对应变测试系统的影响； （5）了解传感器（电阻应变片）在检测中的应用。二实验仪器： 直流稳压电源，15V 不可调直流稳电源，差动放大器，电桥， F/V 表，测微头，双平行梁，双孔悬臂梁称重传感器，应变片，砝码，加热器，水银温度计（自备） ，主，副电源。三实验原理要测量模拟金属梁的应力，首先引入描述物体变形的物理量“应变” 。设模拟金属梁原长为 l 的一段，在变形时发生“伸长” 或“缩短”量为 ，则应变为应变 的大小，即与外力 F 的大小及应用位置有关，也与材
4、料本身的弹性有关。根据胡克定律， 由上式可知，应变最大处，应力也最大。但应力是内力，无法直接测量，应先测量应变后换算出应力。而应变又可用电阻应变片将转换成易于放大的电压、电流或功率的变化进行测量。因此，应力就可以测出。（1）模拟金属梁的设置如图，它是用长 150 毫米、宽 17 毫米的钢尺做成，其上下表面各贴有 3 片电阻应变片。上表面的应变片受力，下表面的应变片受压。拉区电阻值增大，压区电阻值变小。（2）电阻应变片的结构如图，它是用直径约为 0.025 毫米的具有高电阻率的金属丝组成。由金属电阻应变片的应变效应可得到其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。（3）测量电路比较式电桥测量电路粘
5、贴在钢尺的电阻应变片，能将力学量应变变化转换成电阻变化。但这个电阻变化值很小，不易测量。为此，必须设法将应变片接在特定的应变测量线路中，将电阻改变值转换成放大的电信号，便于观察和记录。应变片有“温度电阻效应”的影响，应用“双应变片”有效这影响。（4）放大器原理本实验采用的是差动式放大器，放大量约为 100 倍。输入信号 U 被 R1 分压，使 BG1 输入为 1/2U，BG2 输入为-1/2U。由于二者输入信号相位相反，形成差分输入，U 出=U 出 1+U 出 2。本实验由于晶体管线路是对称的，即使温度变化和电源波动，影响不大。但为了得到更高的稳定性，须采用恒流电源。（四）实验内容（1）单臂电
6、桥金属箔式应变片性能测试直流稳压电源打到2V 挡，F/V 打到 2V 挡，差动放大增益最大1) 了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置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电压的输出插口相连；开启主、负电源；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电压表显示为零，关闭主、副电源。3) 根据图接线电阻 1、2、3 为电桥单元的固定电阻。4) 将测微头转到 10 毫米刻度附近，安装到双平等梁的自由端，调节测微头支柱的高度使电压表显示最小，再旋动测微头，使电压表显示为零。5) 往下旋动测微头，记录数据。位移/mm10.00 9.50
7、9.00 8.50 8.00电压/mV0.000 -0.006 -0.014 -0.021 -0.0306）根据所得结果计算灵敏度7）实验完毕，关闭电源，所有旋钮转到初始位置。（2）金属箔片应变片：单臂、半桥、全桥比较旋钮初始位置：直流稳压电源打到2V 挡，F/V 打到 2V 挡，差动放大增益最大。1) 将差动放大器调零后，关闭电源2) 按图接线3) 调整测微头是双平行梁处于水平位置，将直流稳压电源打到4V 挡。选择合适放大增益，然后调整电桥平衡电位器 1，使表头显示为零。4) 旋转测微头，记录数据位移/mm10.00 9.50 9.00 8.50电压/mV0.000 -0.015 -0.03
8、3 -0.0495）保持放大器增益不变，将 R3 固定电阻换为与 R4 工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同的应变片，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（4）过程同样测得读数，并记录。位移/mm10.00 9.50 9.00 8.50电压/mV0.000 -0.026 -0.062 -0.0916）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受力应变片（即 R1 换成 ，R2 换成 ， ）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
9、头使梁到水平位置，调节电桥 W1 同样使 F/V 表显示 0.重复步骤 4） 。7）在同一坐标纸上描出 X-Y 曲线，比较三种接法的灵敏度。三 种 接 法 灵 敏 度 比 较-0.1-0.08-0.06-0.04-0.0200 2 4 6 8 10 12XV 单 臂半 桥全 桥单臂电桥，半桥，全桥电路的共同点是应用了不平衡电桥的特点，三种桥式电路的不同点是所含有的应变片的数量，分别是一片，二片和四片。因此，应变片数量越多，灵敏度越高。数据处理：（3）应变片的温度效应及补偿有关旋钮的初始位置：主，副电源关闭，直流稳压电源置 挡，F/V 表置20V 挡，差动放大器增益旋钮置最大。1） 了解加热器在
10、实验仪所在的位置及加热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。2） 将差动放大器的（+） ， （-）输入端与地短接，输出端插口与 F/V 表的输入插口 相连。3） 开启主，副电源，调节差放零点旋钮，使 F/V 表显示 0。再把 F/V表的切换开关置 2V 挡，细调差放零点，使 F/V 表显示零。关闭主，副电源，F/V 表的切换开关置 20V 挡，拆去差动放大器输入端的连线。4） 按图接线，开启主、副电源，调节电桥平衡网络的 W1 电位器，使电压表显示为零，然后将电压表切换开关置 2V 挡，调节 W1 电位器，使电压表显示为零。5） 在双平行梁的自由端装上测微头，并调节测微头
11、，使电压表显示零。6） 将-15V 电源连到加热器的一端插口，加热器另一端插口接地；电压表的显示在变化，使电压表显示稳定后，记下显示数值，并用温度计测出温度。关闭主、副电源，等待数分钟使梁体冷却到室温。7） 将电压表的切换开关置 20V 挡，把图中的 R3 换成补偿片，重复 4-6过程。8） 比较 2 种情况的电压表数值：在相同温度下，补偿的数值小很多。9） 实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转至初始位置。未补偿时电压/mV-0.147 -0.138 -0.139 -0.145 -0.149补偿后电压/mV-0.012 -0.014 -0.011 -0.021 -0.018讨论：一：（1）实验
12、电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？答：本实验由于晶体管线路是对称的，即使温度变化和电源波动，影响不大。但为了得到更高的稳定性，须采用恒流电源。本实验的放大器是差动放大器，要求放大器有足够的放大倍数、较宽的线性范围、良好的频率特性、增益可调和负载能力。二：根据所给的差动放大器电路原理图，分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。答：输入信号 U 被 R1 分压，使 BG1 输入为 1/2U，BG2 输入为-1/2U。由于二者输入信号相位相反，形成差分输入，U 出=U 出 1+U 出 2。由于 U 出 1 与 U 出 2 被U 入 1 与 U 入 2 分压。即 U 入 1
13、与 U 入 2 改变一点，U 出 1 与 U 出 2 就会改变很多，再经过精密仪器测量，可得到较精确测量。若 U 出 1 与 U 出 2 设置为 U 入 1 与 U 入2，则可以作为反相放大器。三：单臂电桥，半桥，全桥电路的共同点是应用了不平衡电桥的特点，将阻值的变化转换成电桥的电压输出，再通过相关的转换测量电路，将电压信号转换成便于测量的物理值。三种桥式电路的不同点是所含有的应变片的数量，分别是一片，二片和四片。由于全桥增加了应变片，使得桥臂上的电阻变化量能够消去其中微小不确定量，从而使得测量电路的灵敏度得到很大提升。四：从实验数据可见，半桥电路的灵敏度比单臂电桥的双倍还高一些，这与理论计算
14、不符合。说明实际上单臂电桥测量电路存在温度漂移和非线性误差。说明应变电阻的变化量相比于固定电阻阻值不可以忽略的。五：（3）实验如何实现温度补偿？答：本实验以应变片或电阻元件作为电桥桥臂。应变电桥有一个重要的性质：应变电桥的输出电压与相邻两桥臂的电阻变化率之差、相对两桥臂电压变化率之和成正比。对于平衡电桥，如果相邻两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相同，或相对两桥臂的电阻变化率大小相等、符号相反，泽电桥将不会改变。连接电桥时，使工作片与温度补偿片处于相邻的桥臂。因为工作片和温度补偿片的温度始终相等，所以它们因温度变化引起的电阻值的变化也相等，所以并不产生电桥的输出电压，从而使得温度效应的影响被消除
15、。六：（3）实验为什么不能完全补偿？答：（3）实验的工作片和温度补偿片分别粘贴在受力构件上和不受力的构件上，保证了它们因温度变化所引起的应变片电阻值的变化相同。应变片的布置和在电桥中的接法要恰当，应变片感受的是构件表面的拉应变或压应变。显然，应变片本身不能分辨各种应变成分.并且在给梁体加热，所以梁上的温度存在梯度。也就是梁上的温度并不是均匀相等的，存在一定温差，所以导致工作片和温度补偿片温度变化值不相等，只是近似相似，所以（3）实验不能做到完全补偿。感想：实验中主要遇到以下几个问题：1，电路较繁琐，连接了很久。解决方法：将线路 1、4、10 连接到一点上，线路 3、5、8 连接到一点。即简化线
16、路。2，电路连接完毕，调节测微头，显示表示数不变。解决方法：经检查，由于差动放大器调零时放大器接地，而测量数据时未将这根导线拔出。3，实验过程中，电压表示数不出现。解决方法：由于电压表发生过载，将电压表量程扩大。建议：1,电阻应变片的工作原理是利用了金属的应变效应，即金属在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生改变。电阻应变片的灵敏系数是电阻值变值关于形变量的表达式中的一个系数。半导体材料相比于金属材料，前者主要以压阻效应为止，即电阻产生变化的原因是由于应变引起能带的变形，从而使能带中的载流子发生变化，导致电阻率的变化，因此能够反映出细微的变化，从而具有高于金属材料的灵敏系数。2，连接电路后，调
17、零过程较慢，且不易调零。建议将调零旋钮做大一些。3， （3）实验缺少温度计，实验测量温度只靠天气预报，误差较大。应 用 与 优 点常 用 的 电 阻 应 变 式 传 感 器 有 应 变 式 测 力 传 感 器 、 应 变 式 压 力 传 感 器 、应 变 式 扭 矩 传 感 器 （ 见 转 矩 传 感 器 ） 、 应 变 式 位 移 传 感 器 （ 见 位 移 传 感 器 ） 、应 变 式 加 速 度 传 感 器 （ 见 加 速 度 计 ） 和 测 温 应 变 计 等 。 电 阻 应 变 式 传 感 器 的优 点 ：1） 测 量 应 变 的 灵 敏 度 和 精 确 度 高 ， 性 能 稳 定
18、， 误 差 小 。2） 应 变 片 尺 寸 小 ， 重 量 轻 ， 结 构 简 单 ， 使 用 方 便 。 即 可 用 于 静 态 测量 ， 又 可 用 于 动 态 测 量 。3） 测 量 范 围 大 ， 即 可 测 量 弹 性 形 变 ， 也 可 测 量 变 形 形 变 。4） 适 应 性 强 ， 可 在 高 温 、 低 温 、 高 压 等 恶 劣 环 境 使 用 。5） 便 于 多 点 测 量 、 远 距 离 测 量 和 遥 测 。广 泛 应 用 于 各 项 测 量 技 术 中 ， 如 对 大 型 、 重 要 的 土 木 工 程 结 构 的 健 康 测试 ， 温 度 测 量 ， 加 速 度 测 量 。缺 点它 的 缺 点 是 对 于 大 应 变 有 较 大 的 非 线 性 、 输 出 信 号 较 弱 ， 但 可 采 取 一 定的 补 偿 措 施 。 应 可 能 减 小 外 界 的 影 响 ， 有 效 的 将 环 境 影 响 与 结 构 变 形 区 分 开 ，以 保 证 检 测 结 果 的 可 靠 性 。
