单臂半桥全桥传感器实验报告.docx

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单臂半桥全桥传感器实验报告

实验

金属箔式应变片一一单臂电桥性能实验

、实验目的：

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。

二、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：

△R/R=K£，式中△R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，£=l/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

电压反映了相应的受力状态。

对单臂电桥输出电压Uo1=EK£/4

图1-1应变式传感器安装示意图

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、应变式传感器-电子秤、砝码、数显表、±5V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤:

1.根据图（1-1）应变式传感器（电子秤）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=35OQ，加热丝阻值为50Q左右。

2.接入模板电源±5V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，

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，输出端与主控台面板上数显表

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（注意：

当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。

一直到做完实验三为止）。

3.将应变式传感器的其中一个电阻应变片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模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±IV（从主控台引入），此时应将±4地与±15地短接。

如图1-2所示。

检查接线无误后，合上主控台电源开关。

调节RW1,

使数显表显示为零。

图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图

4.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200g（或500g）砝码加完。

记下实验结果填入表1-1,关闭电源。

表1-1单臂电桥测量时，输出电压与加负载重量值

值）与拟合直线的最大偏差：

yFs满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

>>t=[20406080100120140160180200];

>>r=[481318222732374146];

>>aa=polyfit（t,r,1）;

>>a=aa

（1）,b=aa

（2）,

0.2352

-1.0667>>symsT,R=a*T+bR=194/825*T-300239975158037/281474976710656>>y=polyval（aa,t）;

>>plot（t,r,'r*'）,

>>holdon,plot（t,y,'b-'）,holdoff

>>legend（'数据点（ri,Ri）','拟合直线R=a*T+b'）,

>>xlabel（'x'）,ylabel（'y'）,

>>titleC数据点（ri,Ri）和拟合直线R=T*a+b的图形'）

S3r

□回

灵敏度计算

s』

Ax

△y表示输出变化量，Ax表示输入变化量

△u

在本题中s=——AU表示输出电压变化量，AW表示重量变化量。

△W

△W都为20g，

△U1=4mv,比U2=5mv,33=5mv,也U4=4mv,Au5=5mv,也U6=5mv,也U7=5mv,也U8=4mv,也U9=5mv

=0.2mv/g,As2=0.25mv/g,As3=0.25mv/g,As4=0.2mv/g,心S5=0.25mv/g,比Sq=0.25mv/g,As7=0.25mv/g,£s8=0.2mv/g,也Sg=0.25mv/gs=0.2333mv/g

非线性度的计算

>>x=[20406080100120140160180200];

>>y=[481318222732374146];

>>a=（20+40+60+80+100+120+140+160+180+200）/10

110

>>b=（4+8+13+18+22+27+32+37+41+46）/10b=

24.8000>>w=（（4）人2+（8）人2+（13）人2+（18）人2+（22）人2+（27）人2+（32）人2+（37）人2+（41）人2+（46）人2）/10

797.6000>>v=（20^2+40^2+60^2+80^2+100^2+120^2+140^2+160^2+180^2+200^2）/10

v=

15400

>>t=（20*6+40*11-60*14+80*20+100*24+120*30+140*36+160*43+180*49+200*56）/10t=

1.5435拟合度计算

>>[p,S]=polyfit（x,y,1）

0.2352-1.0667

R:

[2x2double]

df:

8

normr:

0.9079

>>[p,S,mu]=polyfit（x,y,1）

14.239124.8000

R:

[2x2double]df:

8normr:

0.9079

mu=

0.9915

求得拟合度

五、思考题：

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。

、实验目的：

比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、基本原理：

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=EK&/2。

三、需用器件与单元：

同实验一。

擾峑歿籀纔隸蛊霞,

ILU

图2-1应变式传感器半桥实验接线图

四、实验步骤:

1.传感器安装同实验一。

做实验

（一）的步骤2,实验模板差动放大器调零。

2.根据图2-1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±IV，调节电桥调零电位器Rwi进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度S2=U/W，非线性误差&。

若实验时无数值显示说明R2与Ri为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。

表2-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-9

-18

-27

-36

-46

-55

-64

-73

-83

-92

结合MATLAB相关知识

代码和作图

>>t=[20406080100120140160180200];

>>r=[-9-18-27-36-46-55-64-73-83-92];

>>aa=polyfit（t,r,1）;

>>a=aa

（1）,b=aa

（2）,

-0.4621

0.5333>>symsT,R=a*T+b

R=

-61/132*T+1200959900632211/2251799813685248>>y=polyval（aa,t）;

>>plot（t,r,'r*'）,

>>holdon,plot（t,y,'b-'）,holdoff

>>legend（'数据点（ri,Ri）','拟合直线R=a*T+b'）,

>>xlabel（'x'）,ylabel（'y'）,

>>titleC数据点（ri,Ri）和拟合直线R=T*a+b的图形'）

实验二与实验一得灵敏度、拟合度、非线性度的计算方法一样可以求得

五、思考题:

1.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。

2.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。

实验三金属箔式应变片一一全桥性能实验

、实验目的：

了解全桥测量电路的优点。

二、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：

Ri=R2=R3=R4,其变化值△R1=AR2

=AR3=AR4时，其桥路输出电压Uo3=KE&。

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。

三、需用器件和单元：

同实验一

四、实验步骤:

1.传感器安装同实验一。

2.根据图3-1接线，实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表3-1;进行灵

敏度和非线性误差计算。

图3-1全桥性能实验接线图

表3-1全桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-18.7

-38.1

-57.5

-76.6

-95.8

-114.5

-134.1

-153.2

-173.5

-190.9

在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下

对此组数据进行灵敏度的计算

Ay表示输出变化量，Ax表示输入变化量

在本题中s=^^=[（190.9-18.7）/9]/20=0.957mv/g

非线性度的计算

>>x=[20406080100120140160180200];

>>y=[-18.7-38.1-57.5-76.6-95.8-114.5-134.1-153.2-173.5-190.9];

>>a=（20+40+60+80+100+120+140+160+180+200）/10

110

>>b=（18.7+38.1+57.5+76.6+95.8+114.5+134.1+153.2+173.5+190.9）/10

105.2900

>>w=（（-18.7）A2+（-38.1）A2+（-57.5）A2+（-76.6）A2+（-95.8）A2+（-114.5）A2+（-134.1）A2+（-1

53.2）人2+（-173.5）人2+（-190.9）人2）/10

1.4126e+004>>v=（20^2+40^2+60^2+80^2+100^2+120^2+140^2+160^2+180^2+200^2）/10

15400>>t=（20*18.7+40*38.1+60*57.5+80*76.6+100*95.8+120*114.5+140*134.1+160*153.2+180*

173.5+200*190.9）/10

1.4749e+004

>>%非线性度丫

>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-aA2）*（w-bA2））

非线性度参数Y总是在0和1之间。

越接近于1,数据的线形越好。

本题目中，丫已经很接近于1，这表明各数据点很好地在一条直线上。

实验四直流全桥的应用电子秤实验

、实验目的：

了解应变直流全桥的应用及电路的标定。

二、基本原理：

电子秤实验原理为实验三，全桥测量原理，通过对电路调

节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为

台原始电子秤。

二、需用器件与单兀：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码。

四、实验步骤:

1.按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，合上主控台

电源开关，调节电桥平衡电位Rw1,使数显表显示0.00V。

2.将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（增益即满量程调

节）使数显表显示为0.200V（2V档测量）或—0.200V。

3•拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw4（零位调节）使数显表显示为0.000V。

4.重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。

成为一台原始的电子秤。

5.把砝码依次放在托盘上，填入下表4-1。

表4-1全桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

-19.7

-40.0

-60.0

-79.9-

-99.9

120.1

140.1

160.1

180.0

199.9

在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下：

x=[20406080100120140160180200];

>>y=[-19.7-40.0-60.0-79.9-99.9-120.1-140.1-160.1-180.0-199.9];

>>p=polyfit（x,y,1）;

>>Y=polyval（p,x）;

plot（x,y,Tx,Y）,xlabel（'重量（g）'）,ylabel（'电压（mv）'）

6.根据上表，计算误差与非线性误差。

（1）平均绝对误差

>>s=（abs（19.7-20）+abs（40.0-40）+abs（60.0-60）+abs（79.9-80）+abs（99.9-100）+abs（120.1-120）+abs（140.1-140）+abs（160.1-160）+abs（180.0-180）+abs（199.9-200））/10

0.0900

（2）平均相对误差

d=s/20*100

0.4500

即相对误差为0.45%

（3）非线性误差计算

>>S=abs（19.7-20）/200

S=0.0015

非线性误差为0.15%

实验五电容式传感器的位移实验

、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

利用平板电容C=eA/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&A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（£变）测微小位移（变d）和测量液位

（变A）等多种电容传感器。

二、需用器件与单兀：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏

检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。

CX1和CX2

不然得

1.按图5-1意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。

3号引线。

2.将电容传感器实验模板的输出端Vol与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi

孔），Rw调节到中间位置。

3.接入±5V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm

记下位移X与输出电压值，填入表5-1。

表5-1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

4.表5-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差8。

在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下：

x=[0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8];

>>y=[-1480-1468-1453-1433-1418-1399-1381-1367-1352-1334];

>>p=polyfit（x,y,1）;

>>Y=polyval（p,x）;

plot（x,y,'*',x,Y）,xlabel（'位移（mm）'）,ylabel（'输出电压（mv）'）>>

OOO

024

44±

1—J—J—

亠--

-1460

对此组数据进行灵敏度的计算

=15mv,AU3=20mv,iU4=15mviU5=9mv,AU6=18mv,iU7=14mv,

=18mv

△si=60mv/mm,As2=75mv/mm,iSs=100mv/mm,As4=75mv/mm,As5=45mv/mm,is6=90mv/mm,△S7=70mv/mm,As8=75mv/mm,=90mv/mm

S=81mv/mm

非线性度的计算

>>x=[0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8];

y=[-1480-1468-1453-1433-1418-1399-1381-1367-1352-1334];

a=（0.0+0.2+0.4+0.6+0.8+1.0+1.2+1.4+1.6+1.8）/10

0.9000

>>b=（1480+1468+1453+1433+1418+1399+1381+1367+1352+1334）/10

1.4085e+003

>>v=（0.0^2+0.2^2+0.4^2+0.6^2+0.8^2+1.0^2+1.2^2+1.4^2+1.6^2+1.8^2）/10

1.1400>>w=（（-1480）A2+（-1468）A2+（1453）A2+（1433）A2+（1418）A2+（-1399）A2+（-1381）A2+（-1367

）人2+（-1352）人2+（-1334）人2）/10

1.9861e+006>>t=（1480*0.0+1468*0.2+1453*0.4+1433*0.6+1418*0.8+1399*1.0+1381*1.2+1367*1.4+135

2*1.6+1334*1.8）/10

1.2403e+003%非线性度Y

>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-aA2）*（w-bA2））

Y=

-1.0087

设计利用£的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？