实验一 项目名称： 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

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：

（1）

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长 ，横截面积相应减小 ，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变 ，故引起电阻值变化 。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

（2）

式中的 为电阻丝的轴向应变，用 表示，常用单位 （1 =1× ）。若径向应变为 ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比 表示为 ，因为 =2（ ），则（2）式可以写成：

（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见， 受两个因素影响，一个是（1+ ），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是 ，是材料的电阻率 随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则 ，对半导体， 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数 =2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值 ，而根据应力应变关系：

（4）

式中 σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

三、 需用器件与单元

传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、±15V电源、±5V电源，传感器调理电路挂件。

四、实验内容与步骤

1．应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装在传感器实验箱（一）上，传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4，可用万用表测量R1=R2=R3=R4=350Ω。

图1-1 应变式传感器安装示意图

2．把 直流稳压电源接入“传感器调理电路”实验挂箱，检查无误后，开启实验台面板上的直流稳压电源开关，调节Rw3使之大致位于中间位置（Rw3为10圈电位器），再进行差动放大器调零，方法为：将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端Uo2接直流电压表，调节实验模板上调零电位器Rw4，使直流电压表显示为零，关闭直流稳压电源开关。（注意：当Rw3的位置一旦确定，就不能改变。

图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

3．按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片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±5V，如图1-2所示。检查接线无误后，合上直流稳压电源开关，调节Rw1，使直流电压表显示为零。

4．在砝码盘上放置一只砝码，待直流电压表数值显示稳定后，读取数显值，以后每次增加一个砝码并读取相应的测量值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表1-1，关闭电源。 表1-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值

重量(g) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

电压(mv) 4 8 14 19 23 29 33 38 42 47

5. 根据表1-1计算系统灵敏度 （ 输出电压的变化量， 重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS ×100％ 式中 （多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为200g。

解：S=200/47=4.225 δf1=Δm/yFS ×100％=2/200×100％=1％

五、思考题

1．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。

答：应选用正应变片。

六、实验报告要求

1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2．从理论上分析产生非线性误差的原因。

答：产生非线性误差的原因：电阻变化率△R/R不可能完全成线性增加。

实验一 项目名称： 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

四、 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。

五、 基本原理

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：

（1）

当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长 ，横截面积相应减小 ，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变 ，故引起电阻值变化 。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：

（2）

式中的 为电阻丝的轴向应变，用 表示，常用单位 （1 =1× ）。若径向应变为 ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比 表示为 ，因为 =2（ ），则（2）式可以写成：

（3）

式（3）为“应变效应”的表达式。 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见， 受两个因素

影响，一个是（1+ ），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是 ，是材料的电阻率 随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则 ，对半导体， 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数 =2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值 ，而根据应力应变关系：

（4）

式中 σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

六、 需用器件与单元

传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、±15V电源、±5V电源，传感器调理电路挂件。

四、实验内容与步骤

1．应变片的安装位置如图1-1所示，应变式传感器已装在传感器实验箱（一）上，传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4，可用万用表测量R1=R2=R3=R4=350Ω。

图1-1 应变式传感器安装示意图

2．把 直流稳压电源接入“传感器调理电路”实验挂箱，检查无误后，开启实验台面板上的直流稳压电源开关，调节Rw3使之大致位于中间位置（Rw3为10圈电位器），再进行差动放大器调零，方法为：将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端Uo2接直流电压表，调节实验模板上调零电位器Rw4，使直流电压表显示为零，关闭直流稳压电源开关。（注意：当Rw3的位置一旦确定，就不能改变。）

图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

3．按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片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±5V，如图1-2所示。检查接线无误后，合上直流稳压电源开关，调节Rw1，使直流电压表显示为零。

4．在砝码盘上放置一只砝码，待直流电压表数值显示稳定后，读取数显值，以后每次增加一个砝码并读取相应的测量值，直到200g砝码加完，记下实验结果填入表1-1，关闭电源。

五、思考题

1．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。

答：应选用正应变片。

一、实验目的

了解全桥测量电路的原理及优点。

二、基本原理

全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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＝ 。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明显改善。

三、需用器件和单元

传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤

1．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。

表3-1全桥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） 16 31 47 63 79 94 110 126 142 158

全桥时传感器的特性曲线

图3-1 应变式传感器全桥实验接线图

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

六、思考题

1．全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。

图3-2 应变式传感器受拉时传感器周面展开图

答：不可以。

2．某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

答：将这两组应变片分别按照两个不同的方向贴在棒材上面就可以了，然侯利用不同的两组测量值就可以组成一个全桥电路，进而获得测量结果，无需再引入外界电阻。

实验二 项目名称： 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

电子秤实验原理与实验三相同，利用全桥测量原理，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）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。

三、需用器件和单元

传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤

1．按实验一中的步骤2，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，打开直流稳压电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使直流电压表显示为零。

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）使直流电压表显示为0.200V或-0.200V。

3．拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使直流电压表显示为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电桥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) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

6. 根据上表，计算误差与非线性误差。

误差：0% 非线性误差：0%

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

六、实验报告要求

1．记录实验数据，绘制传感器的特性曲线。

2．分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。

答：环境因素和实验器材的校正不准会导致非线性误差增大。通过多次校正，调节变位器可消除或减少误差。若要增加输出灵敏度可增加相形放大电路。

实验二 项目名称： 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

电子秤实验原理与实验三相同，利用全桥测量原理，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）改为重量量纲（g）即成为一台原始的电子秤。

三、需用器件和单元

传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤

1．按实验一中的步骤2，将差动放大器调零，按图3-1全桥接线，打开直流稳压电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1，使直流电压表显示为零。

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）使直流电压表显示为0.200V或-0.200V。

3．拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1（零位调节）使直流电压表显示为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改为重量量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

六、思考题

分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。

答：环境因素和实验器材的校正不准会导致非线性误差增大。通过多次校正，调节变位器可消除或减少误差。若要增加输出灵敏度可增加相形放大电路。

实验 三 项目名称：金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

了解全桥测量电路的原理及优点。

二、基本原理

全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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＝ 。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明显改善。

三、需用器件和单元

传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤

1．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 应变式传感器全桥实验接线图

五、实验注意事项

1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

实验十一 项目名称：霍尔转速传感器测速实验

一、实验目的

了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理

利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。

三、需用器件与单元

霍尔转速传感器、直流电源+5V，转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。

四、实验步骤

1．霍尔转速传感器及转动源已经安装于传感器实验箱（二）上，其中霍尔转速传感器位于转动源的右边。

2．将+5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端。

3．将霍尔转速传感器的输出接入信号发生器的测频端，在信号发生器的面板上按下外测按钮和滤波按钮。

4．将面板上的直流稳压电源调节到5V，接入传感器实验箱（二）上的转动电源端。

5．调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化，观察频率计的频率变化。

电压(V) 5 6 7 8 9 10 11 12

频率（HZ) 45 61 79 99 117 136 158 174

6．调节转动源的输入电压，使转盘的转速发生变化，把界面切换到示波器状态，观察传感器输出波形的变化。

电压越大，转速越大，波形越窄。

五、注意事项

1．转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。

2．转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。

3．转动源的输入电压不可低于2V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘，长时间也可能烧坏电机。

六、思考题

根据上面实验观察到的波形，分析为什么方波的高电平比低电平要宽。

答：因为转盘上的磁钢所占的比例小。

实验十一 项目名称：霍尔转速传感器测速实验

一、实验目的

了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理

利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。

本实验采用3144E开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。

三、需用器件与单元

霍尔转速传感器、直流电源+5V，转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。

四、实验步骤

1．霍尔转速传感器及转动源已经安装于传感器实验箱（二）上，其中霍尔转速传感器位于转动源的右边。

2．将+5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端。

3．将霍尔转速传感器的输出接入信号发生器的测频端，在信号发生器的面板上按下外测按钮和滤波按钮。

4．将面板上的直流稳压电源调节到5V，接入传感器实验箱（二）上的转动电源端。

5．调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化，观察频率计的频率变化。

6．调节转动源的输入电压，使转盘的转速发生变化，把界面切换到示波器状态，观察传感器输出波形的变化。

电压越大，转速越大，波形越窄。

五、注意事项

1．转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。

2．转动源的输入电压不可超过24V，否则容易烧毁电机。

3．转动源的输入电压不可低于2V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘，长时间也可能烧坏电机。

六、思考题

根据上面实验观察到的波形，分析为什么方波的高电平比低电平要宽。

答：因为转盘上的磁钢所占的比例小。