金属箔式应变片传感器实践任务设计书.docx

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金属箔式应变片传感器实践任务设计书

金属箔式应变片传感器实践任务设计书

一金属箔式应变片――单臂电桥搭建

一、实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，掌握单臂电桥的接线方法和用途。

二、实验仪器：

实训台、应变传感器实验模块、托盘、砝码、万用表（自备）。

三、相关原理：

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=Kε，式中R/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

成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性

体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1应变传感器安装图

图1-2单臂电桥接线图

通过这些应变片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，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电

压

Uo=E

R/R

（1-1）

4

1

R

1

R

2

E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式

1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误

差为L=

1

R100%。

2

R

四、实验内容与操作步骤

1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，

可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。

从实训台接入±15V电源，检查无误后，合上实训台电源开关，

将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。

将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。

关闭实训台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）

3．按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、

R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合

上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，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砝码加完，计下数显表值，填入下表1-1，关闭电源。

表1－1

重量（g）

电压

（mV）

五、实验报告

根据表1－1计算系统灵敏度S＝U/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和

非线性误差δf1=m/yF..S×100％，式中m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为满量程（200g）输出平均值。

六、注意事项

加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

二金属箔式应变片――半桥搭建

一、实验目的：

比较半桥与单臂电桥的不同性能，掌握其接线方法。

二、实验仪器：

同项目一

三、相关原理：

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。

电桥输出灵敏度提高，非

线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为

Uo=EKε/2=E

R

（2-1）

2

R

E为电桥电源电压，式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

四、实验内容与操作步骤

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实训项目一步骤2。

3．按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻

边。

4．加托盘后电桥调零，参考实训项目一步骤4。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，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砝码加完，计下数显表值，填入下表，关闭电源。

表2-1

重量（g）

电压

（mV）

五、实验报告

根据表2-1的数据，计算灵敏度L=U/W，非线性误差δf2

六、思考题

引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？

图2-1双臂电桥接线图

三金属箔式应变片――全桥搭建

一、实验目的：

了解全桥测量电路的性能，掌握其接线方法。

二、实验仪器：

同项目一。

三、相关原理：

全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，

如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：

Uo=KEε

（3-1）

E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

四、实验内容与操作步骤

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实训项目一步骤2。

3．按图3-1接线，

将受力相反（一片受拉，

一片受压）的两对应变

片分别接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调

零，参考实训项目一步骤4。

图3-1

5．在应变传感器托

盘上放置一只砝码，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砝码加完，

计下数显表值，填入下表3-1，关闭电源。

图3-1全桥电路接线图

表3-1

重量（g）

电压

（mV）

五、实验报告

根据记录表3-1的数据，计算灵敏度L=U/W，非线性误差δf3

四直流全桥的应用——电子秤定标

一、实验目的：

掌握直流全桥的应用及电子秤定标的方法

二、实验仪器：

实训台、应变传感器模块、砝码

三、相关原理：

电子称实训原理同传感器基本技能实训项目三的全桥测量原理，通过调节放大电路对

电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）

即成一台比较原始的电子称。

四、实验内容与操作步骤

1．按传感器基本技能实训项目三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。

2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电

压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差

动放大器调零和加托盘后电桥调零。

4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。

5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下数显表

值，填入表4-1。

表4-1

重量（g）

电压（V）

五、实验报告

1．根据计入表25-1的数据，计算灵敏度L=U/W，非线性误差δf4

2．去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。

根据数显表值，求出重物的重量。

五扩散硅压阻压力传感器差压测量

一、实验目的：

了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。

二、实验仪器

压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V、±15V。

三、相关原理

在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如下图所示：

在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。

并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

扩散硅压力传感器的工作原理：

在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流i，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂

直电流方向将会产生电场变化Ei，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与

电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo。

UOdEdi

（4-1）

式中d为元件两端距离。

实验接线图如图4-2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1>P2时，输出为正；P1

图5-1扩散硅压力传感器原理图

四、实验内容与操作步骤

1．接入+5V、±15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选

择20V档，打开实训台总电源。

4．调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调

节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。

5．气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压

均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1

使直流电压表200mv档显示为零。

6．保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔

0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P1的压力达到0.095Mpa；填入下表。

P（kP）

Uo2（V）

7．保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P2的压力达到0.095Mpa；填入下表。

P（kP）

Uo2（V）

8．保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。

直到P1的压力为0.005Mpa；填入下表。

P（kP）

Uo2（V）

9．保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa

记下模块输出Uo2的电压值。

直到P2的压力为0.005Mpa；填入下表。

P（kP）

Uo2（V）

10．实验结束后，关闭实训台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

1．根据实验所得数据，计算压力传感器输入P（P1-P2）—输出Uo2曲线。

计算灵敏度L=U/P，非线性误差δf。

图5-2扩散硅压力传感器接线图

六差动变压器性能测试

一、实验目的

掌握差动变压器位移测量的方法

二、实验仪器

实训台、差动变压器模块、测微头、差动变压器、示波器（自备）

三、相关原理

差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。

铁芯连接被测物体，移

动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动

势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向

串接（同名端连接）引出差动输出。

输出的变化反映了被测物体的移动量。

四、实验内容与操作步骤

1．根据图5-1将差动变压器安装在差动变压器模块上。

图6-1图6-2

2．将传感器引线插头插入模块的插座中，音频信号由振荡器的“00”处输出，打开主

控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用示波器监测），使输出信号频率为4-5KHz，

幅度为Vp-p=2V，按图5-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出，接放大器输入端）。

3．用示波器观测Uo的输出，旋动测微头，使示波器上观测到的波形峰－峰值Vp-p

为最小，这时可以左右位移，