完整word版单臂半桥全桥传感器实验报告.docx

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完整word版单臂半桥全桥传感器实验报告

实验一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验

一、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：

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=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U

o1=EK

ε。

/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、±15V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＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

2．接入模板电源±15V（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

1

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±4V（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

重量（g）

电压（mv）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

4

8

13

18

22

27

32

37

41

46

5．根据表1-1计算系统灵敏度S＝U/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变

化量）和非线性误差δf1=m/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，此处为200g（或500g）。

2

>>t=[20406080100120140160180200];

>>r=[481318222732374146];

>>aa=polyfit（t,r,1）;

>>a=aa

（1）,b=aa

（2）,

a=

0.2352

b=

-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'）,

>>title（'数据点（ri,Ri）和拟合直线R=T*a+b的图形'）

3

灵敏度计算

y

y表示输出变化量，

x表示输入变化量

s

x

在本题中s

U

W表示重量变化量。

U表示输出电压变化量，

W

W都为20g，

U1

4mv,U2

5mv,U35mv,

U4

4mv,U5

5mv,U65mv,

U75mv,U84mv,U95mv

s1

0.2mv/g,

s2

0.25mv/g,

s3

0.25mv/g,

s4

0.2mv/g,s5

0.25mv/g,

s6

0.25mv/g,

s7

0.25mv/g,

s8

0.2mv/g,

s9

0.25mv/g

s=0.2333mv/g

非线性度的计算

4

>>x=[20406080100120140160180200];

>>y=[481318222732374146];

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

a=

110

>>b=（4+8+13+18+22+27+32+37+41+46）/10

b=

24.8000

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

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）/10

t=

3926

>>%非线性度Y

>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-a^2）*（w-b^2））Y=

1.5435

拟合度计算

>>[p,S]=polyfit（x,y,1）

p=

0.2352-1.0667

S=

R:

[2x2double]

5

df:

8

normr:

0.9079

>>[p,S,mu]=polyfit（x,y,1）

p=

14.239124.8000

S=

R:

[2x2double]

df:

8

normr:

0.9079

mu=

110.0000

60.5530

>>SSy=255.8900

>>RSS=2.1855

>>i=（SSy-RSS）/SSy

i=

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。

实验二金属箔式应变片――半桥性能实验

一、实验目的：

比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

6

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U02＝EKε／2。

三、需用器件与单元：

同实验一。

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。

．根据图

2-1接线。

R

1、R2为实验模板左上方的应变片，注意

R2应和R1受力

2

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±4V，调节电桥调零电位器RW1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δf2。

若实验时无数值显示说明R2与R1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

7

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）,

a=

-0.4621

b=

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'）,

>>title（'数据点（ri,Ri）和拟合直线R=T*a+b的图形'）

8

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――全桥性能实验

9

一、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：

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。

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

10

在MATLAB中进行一元线性拟合，代码及图形如下：

x=[20406080100120140160180200];

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

>>p=polyfit（x,y,1）;

>>Y=polyval（p,x）;

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

对此组数据进行灵敏度的计算

s

y

x表示输入变化量

y表示输出变化量，

x

在本题中s

U

=[（190.9-18.7）/9]/20=0.957mv/g

W

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

a=

11

110

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

b=105.2900

>>

w=（（-18.7）^2+（-38.1）^2+（-57.5）^2+（-76.6）^2+（-95.8）^2+（-114.5）^2+（-134.1）^2+（-1

53.2）^2+（-173.5）^2+（-190.9）^2）/10

w=

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

v=

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

t=

1.4749e+004

>>%非线性度Y

>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-a^2）*（w-b^2））

Y=

1

非线性度参数γ总是在0和1之间。

越接近于1，数据的线形越好。

本题目中，γ已经很接近于1，这表明各数据点很好地在一条直线上。

12

实验四直流全桥的应用――电子秤实验

一、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

一台原始电子秤。

三、需用器件与单元：

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,'*',x,Y）,xlabel（'重量（g）'）,ylabel（'电压（mv）'）

13

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）+ab

s（140.1-140）+abs（160.1-160）+abs（180.0-180）+abs（199.9-200））/10

s=

0.0900

（2）平均相对误差

d=s/20*100

d=

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

14

非线性误差为0.15%

实验五电容式传感器的位移实验

一、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＝εA／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、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（ε变）测微小位移（变d）和测量液位

（变A）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：

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。

四、实验步骤：

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CX1和CX2

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。

不然得

调换接头。

一般接线：

二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。

图5-1传感器位移实验接线图

15

2．将电容传感器实验模板的输出端Vo1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±15V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δf。

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）'）>>

16

对此组数据进行灵敏度的计算

s

y

y表示输出变化量，

x表示输入变化量

x

在本题中s

U

U表示输出电压变化量，

X表示位移变化量。

X

X都为0.2mm

U1

12mv,

U2

15mv,U320mv,

U4

15mv,U5

9mv,U618mv,

U714mv,

U8

15mv,

U9

18mv

s1

60mv/mm,

s2

75mv/mm,

s3

100mv/mm,

s4

75mv/mm,s5

45mv/mm,

s6

90mv/mm,

s7

70mv/mm,

s8

75mv/mm,

s9

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

a=

0.9000

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

b=

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

v=

1.1400

>>w=（（-1480）^2+（-1468）^2+（1453）^2+（1433）^2+（1418）^2+（-1399）^2+（-1381）^2+（-1367

）^2+（-1352）^2+（-1334）^2）/10

w=

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+1352*1.6+1334*1.8）/10

17

t=

1.2403e+003

%非线性度Y

>>Y=（t-a*b）/sqrt（（v-a^2）*（w-b^2））

Y=

-1.0087

五、思考题：

设计利用ε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？

18