2．根据图1.6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，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。接入桥路电源±4V，调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零。同实验一（4）步骤，将实验数据记入表1-2
注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮）。
表1-2：半桥测量时，输出电压与负载重量的关系：
重量（g） 加载时输出电压（mV） 卸载时输出电压（mV） 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 采用半桥差动测量电路，选取与单臂桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为 。
(三)、应变片全桥差动实验?
全桥差动测量电路中，将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，应变片初始阻值是R1= R2= R3=R4，当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，桥路输出电压和灵敏度比半桥差动又提高了一倍，非线性误差进一步得到改善。
1．保持实验（二）的各旋钮位置不变。
2．根据图1.7接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意电桥中任意相邻的两个应变片应承受相反应力，否则，全桥不能正常工作。调节Rw1，使数显表显示为零，当调节Rw1调零困难时，可以使用Rw4微调实现调零。同实验一（4）步骤，将实验结果记入表1-3；
注意保持运放增益不变（谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮）。
图1.7 应变片全桥实验线路
表1-3：全桥测量时,输出电压与负载重量的关系： 重量（g） 加载时输出电压（mV） 卸载时输出电压（mV）
0 20 40 60 80 - 6 -
100 120 140 160 180 200
采用全桥差动测量电路，选取与前面电桥称重相同的物品进行称重，记录其输出电压为 。
四、 实验仪器与设备
1. 应变式传感器实验模板 1块 2. 砝码（每个约20g） 10个 3. 托盘 一个 4. 直流数显电压表 主控台 5. ±15V电源、±4V电源 主控台 五、 注意事项?
1. 实验前应将实验中使用的导线全部检测一遍，确保导线全部导通。 2. 实验模板接±15V直流电源时，一定要接准确，切不可接反烧毁运算放大器。 3. 在更换应变片时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。
4. 为了比较应变片单臂、半桥、全桥电路的电压灵敏度，这三种检测电路的实验过程中，桥路所加稳定电压(±4V)及差动放大器增益均应保持不变。?
5. 差动放大器调零后，在实验过程中一般不再调整。但是检测电桥则必须经常检查零点是否变化，并及时进行调整。?
6. 实验中为防止电压表过载，在接好电路开通电源前，应先将量程打到最大(20V)，后根据实测数据的大小正确选择量程。
7. 本实验台上的地线是内部接通的，每块实验模板上的地线也内部接通。 8. 做此实验时应将低频振荡器的幅值关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
六、 创新和思考?
1．单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用（ ）。
A.正(受拉)应变片 B.负(受压)应变片 C.正、负应变片均可以
2．半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在（ ）。 A.对边 B.邻边 C.对边邻边都可以
3．查阅资料，谈谈在实际工作和生活中应变片式传感器还有哪些用途。 七、 实验报告要求? 1. 根据表1-1实验数据，对单臂电桥时应变称重装置的静态特性（线性度、灵敏度、迟滞和重复性）进行分析。
2. 根据单臂电桥、半桥差动、全桥差动称重实验数据，在同一坐标上绘制出上述结果的三条V-W特性曲线。（建议采用matlab用最小二乘法拟合曲线）
3. 计算三种测量电桥的灵敏度S，实验结果与理想结论是否一致？如不一致分析产生的原因。
4. 计算并比较单臂电桥、半桥、全桥测量时的非线性误差，得出相应的结论并阐述理由。
5. 根据单臂电桥、半桥、全桥测量结果，结合对随身物品称重输出电压，分析计算
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该物品的质量。对计算结果进行对比，分析实验误差产生的原因。
6. 完成创新与思考中的问题。
实验二 电容传感器位移的测量
一、 实验目的?
1. 设计差动变面积式电容传感器的位移测量电路；
2. 通过差动变面积式电容传感器的应用进一步了解传感器的原理、测量电路及其
它相关电路的作用；
3. 了解电容式传感器的动态性能及测量原理与方法。 二、 实验原理?
(一) 电容式传感器工作原理：?
利用平板电容C=εS/d的关系,在ε、S、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，就可使电容C发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电信号,则可以制成多种电容传感器，如：①变ε的湿度电容传感器。②变d的电容式压力传感器。③变S的电容式位移传感器。本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器，传感器外形如图2-1所示。
图2-1 差动变面积式电容传感器外形
(二) 电容变换器测量电路原理?
要利用电容式传感器电容量的变化检测物理量，必须借助于测量电路，通过测量电路将电容的微小变化转换成与其成正比的电压，电流或频率，以便传输、显示或记录。电容变换器电路如图2.2所示。?
图2.2 电容变换器电路?
这是一种利用电容充放电原理的脉冲型测量电路，其中E、f为方波激励电源的幅
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值和频率，D1～Ｄ4为特性相同的二极管，A为放大器，Cx1、Ｃx2即为差动变面积式电容传感器的两个等效电容。RL为等效的负载电阻。
为便于分析，设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大。电路的工作原理为：当电源E处于正半周时，D1导通，D2截止，电容Cx1经D1迅速充电至电压E，电源经D3向负载电阻RL供电，与此同时，电容Ｃx2经D4和RL放电，流经RL的电流iL为这两电流之和。当电源E处于负半周时，D1截止，D2导通，此时Ｃx2很快被充电至电压E，流径负载电阻的电流i′L也为这两电流之和。?
当Cx1=Cx2(即没有差动)时，则流经RL的电流iL与i′L的平均值大小相等而极性相反，因此，在一个周期内流过RL的平均电流为零。RL上无信号输出。?
当Cx1＞Ｃx2(或Cx2＞Ｃx1)时，则通过RL上的平均电流不为零，因此产生输出电压U０。?
经分析计算可得
E' iL?RLEiL?RL输出电流对时间的平均值可写为
? IL?将(1)式代入(2)式得
t???RLCx1?1?e? （1） ????t???RLCx2?1?e? （2） ????1T??iT0L(t)?iL(t)dt （3）
?TT???1?RLCx2RLCx1?Cx1e?IL??E?Cx1?Cx2?Cx2e? （4）
T??????f=
1T
适当选择线路中的元件参数及电源频率f,使
TT?5，?5,则(4)式中非线性项
RLCx2RLCx1(指数项)在总输出中的比例将小于1%，如将其忽略则得：
IL?E?f?(Cx1?Cx2)?
于是输出电压的平均值U０可写为
U0?IL?RL?E?f?RL(Cx1?Cx2)?E?f?RL?kx??
x为动片位移量(当动片处于两定片中间位置时，x=0,此时U０＝0Ｖ）。?
据此原理，可用差动变面积式传感器测量直线位移，以及可转化为位移测量的其它
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非电量。
三、 实验步骤?
1． 将电容传感器通过专用连接线插入电容传感器实验模块（如图2.3所示）。接
入±15V电源，电压表量程置2V档，Rw调节到最大位置。
图2.3 电容传感器实验模块
2． 用手缓慢拉动电容传感器的位移导杆，导杆从一端到另一端变化时电压表指示应有从正到负或从负到正的变化过程。再按照图2.4所示将传感器固定在位移支架左侧。
图 2.4 差动变压器电容传感器安装示意图
3． 将螺旋测微头旋至10mm左右处，按图2.4固定在支架右侧，使测微头活动杆与传感器位移导杆相吸合。先粗调测微头的左右位置，使电压表指示接近零，将测量支架顶部的镙钉拧紧。再按照固定方向旋动测微头，使电压表输出电压为零。
4． 注意：在电压表指示接近为零时要减慢速度细心调节，不可往复调节，造成回程误差。
5． 旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值，填入表2-1。将测微头回到10mm左右处（即电压表指示重新归零的位置），反向旋动测微头，重复实验过程。
表2-1电容式传感器位移与输出电压的关系（起始零点＝10mm左右）
X(mm) 起 起始零点位置 U(mV) X(mm) U(mV)
+0.2 -0.2 +0.4 -0.4 +0.6 -0.6 - 10 -
+0.8 -0.8 +1.0 -1.0 +1.2 -1.2 +1.4 -1.4 +1.6 -1.6 起始零点位置