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1传感器与检测技术实验报告小组成员班级学号杜雄自动化1405班U201414355徐航自动化1405班U201414372实验时间：2016年10月21日2016年10月28日2实验目录实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验··························(2)实验二金属箔式应变片——半桥性能实验··································(7)实验三金属箔式应变片——全桥性能实验··································(8)实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验·········(9)实验五直流全桥的应用——电子秤实验·····································(10)实验六差动变压器的性能实验······················································(11)实验七电容式传感器的位移特性实验··········································(15)实验八直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验·····················(16)实验九电涡流传感器的位移特性实验··········································(18)实验十被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验（选做）(20)实验十一一光纤传感器的位移特性实验··············································(21)3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，并掌握单臂电桥工作原理和性能。二、基本原理:电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得（1—1）当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：（1—2）式中：dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr4由材料力学得：εL=-μεr(1—3)式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。将式（1—3）代入式（1—2）得：（1—4）式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取（1—5）其灵敏度系数为：K=金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R≈dρ⁄ρ。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正5（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。3、贴片式应变片应用在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。4、箔式应变片的基本结构金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如图1—1所示。(a)丝式应变片(b)箔式应变片图1-1应变片结构图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，与丝式应变片工作原理相同。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=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。5、箔式应变片单臂电桥实验原理图6图1-2应变片单臂电桥性能实验原理图对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。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、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表(自备)。四、实验步骤：1、根据图(1-3)应变式传感器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。图1-3应变式传感安装示意图2、接入模板电源±15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，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，输出端与主控箱面板上数7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。3、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模块内已连接好)，接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V(从主控箱引入)如图1-4所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。图1-4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砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。表1-1重量(g)20406080100120140160180200电压(mv)3.16.39.612.616.019.122.425.928.932.15、根据表1-1计算系统灵敏度S，S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)计算线性误差：δf1=Δm/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。8如下图所示，虚线为拟合后的直线，我们得到的拟合公式为：y=0.1616x-0.1733其中纵坐标V为测得电压值，单位为mv，横坐标m为砝码质量，单位为g；拟合优度R=0.9999，接近1，说明拟合效果很好。砝码重量/g20406080100120140160180200实验值/mv3.16.39.612.61619.122.425.928.932.1理论值/mv3.2326.4649.69612.92816.1619.39222.62425.85629.08832.32偏差/mv0.1320.1640.0960.3280.160.2920.224-0.0440.1880.22其中理论值是根据拟合直线公式计算得所以可得灵敏度即斜率S=0.1616mv/g；线性度δ=Δm/yF·S×100%δ=0.328/（32.32-3.1）*100%=1.12%综上所述得到结论：灵敏度为0.1616，线性度为1.12%.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。答：（3）正、负应变片都可以，因为正负对单臂电桥的传感器的特性无影响。9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。二、基本原理：不同受力方向的两片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。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。图2-1应变片半桥特性实验原理图三、需用器件与单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验(一)2的步骤，实验模板差动放大器零。2、将适当的两片应变片接入桥路。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反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S=ΔU/ΔW，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。下表半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量(g)20406080100120140160180200电压/(mv)6.112.3212834.841.148.354.961.367.4重量/g20406080100120140160180200实验值/mv6.112.3212834.841.148.354.961.367.4理论值/mv6.85613.71220.56827.42434.2841.13647.99254.84861.70468.56偏差/mv0.7561.412-0.432-0.576-0.520.036-0.308-0.0520.4041.1610利用excel对数据进行处理拟合得到数据图像如下：其中纵坐标V为测得电压值，单位为mv，横坐标m为砝码质量，单位为g；拟合优度R=0.9988，接近1，说明拟合效果很好。所以可得灵敏度即斜率S=0.3428mv/g；其中理论值是根据拟合直线公式计算得线性度δ=1.412/（68.56-6.1）*100%=2.26%综上所述得到结论：灵敏度为0.3428，线性度为2.26%.五、思考题：1、半桥侧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。答：1.邻边2.电桥测量原理上存在非线性误差11实验三金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，理解全桥测量电路优点。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。图3-1应变片全桥特性实验接线示意图三、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、参考图1-4接线，将四片应变片按正确的方式接入桥路。将实验结果填入表3-1；实验后进行灵敏度和非线性误差计算。下表全桥输出电压与加负载重量值重量/g20406080100120140160180200实验值/mv12.5253851.263.576.689.5102.5115.5127.6理论值/mv12.84825.69638.54451.39264.2477.08889.936102.784115.632128.48偏差/mv0.3480.6960.5440.1920.740.4880.4360.2840.1320.88重量(