测试技术与传感器
实验报告
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2012年12 月 日
实验一
一、金属箔式应变片性能——单臂单桥
实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 实验准备：预习
实验仪器和设备：直流稳压电源、电桥、差动放大器、测微头、应变片、电压表。 实验原理：当电桥平衡（或调整到平衡）时，输出为零，当桥臂电阻变化时，电桥产生相应输出。
实验注意事项：直流稳压电源打到4V档，接线过程应关闭电源，电压表打到2V档，如实验过程中指示溢出则改为20V档，接线过程注意电源不能短接。实验时位移起始点不一定在10mm处，可根据实际情况而定。为确保实验过程中输出指示不溢出，差动放大增益不宜过大，可先置中间位置，如测得的数据普遍偏小，则可适当增大，但一旦设定，在整个实验过程中不能改变。
实验内容：
（1）观察双平行梁上的应变片、测微头的位置，每一应变片在传感器实验操作台上有引出插座。
（2）将差动放大器调零。方法是用导线将差动放大器正负输入端相连并与地端连接起来，然后将输出端接到电压表的输入插口。接通主、副电源。调整差动放大器上的调零旋钮使表头指为示零。关闭主副电源。
（3）根据图1的电路结构，利用电桥单元上的接线座用导线连接好测量线路（差动放大器接成同相反相均可）。
R1?R2?R3?350?RRX X r?10? W1?W2?22k?C?20nF+4V W1 -4V r R1 R2 Rx R3 A V R1 r R2 c W1 电桥 W2
图 1 仪器上的电桥模块及单臂电桥接线图 （4）检查测微头安装是否牢固，转动测微头至10mm刻度处，并调整旋紧固定螺钉，使测微头上下移动至双平行梁处于水平位置（目测），测微头与梁的接触紧密。
（5）将直流稳压电源开关打到4V档，打开主副电源，预热数分钟，调整电桥平衡电位器W1，使电压表指示为零。调零时逐步将电压表量程20V档转换到2V档。
（6）旋动测微头，记下梁端位移与电压表的数值，每一圈0.5mm记一个数值。根据所得结果计算系统灵敏度S，并作出V一X关系曲线。S??V?X ，其中?V为电压变化，?X为相
应的梁端位移变化。
（7）按最小二乘法求出拟合直线，并求线性度误差，最后根据拟合直线求灵敏度。
（8）在最大位移处，以每0.5mm减至原始值，记录反行程下的示值，根据所得结果算出滞
后误差r。
H位移（mm） 10 10.5 13 13 11 27 26 11.5 40 39 12 53 52 12.5 67 66 13 81 80 13.5 95 94 14 109 109 14.5 124 124 电压（mV） 0 正行程 电压（mV） 1 反行程 V-X14012010012412410910994958081666752533940262713131010121416电压/mV80604020002468位移/mmV1V2
按照最小二乘法拟合，用matlab编程得直线表达式为：V?27.76X?276.9
（6）因为图形呈线性关系，所以灵敏度S=(124-0)/(14.5-10)=2705mv/mm； （8）最大误差为1mm；所以滞后误差为r=1/124*100%=0.8%； 思考题：
1．本实验电路对直流稳压源、差动放大器有何要求？它们对输出结果影响怎样？
直流稳压源输出稳定，差动放大器要调零。
由于直流稳压源的输出和差动放大器都会影响电压表的示数，如果直流稳压源和差动放大器不符合要求，那么R4的变化将不能通过电压表的示数变化反映出来，起到了干扰实验的作用。
二、金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较
实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能。
实验准备：预习
实验仪器和设备：直流稳压电源、差动放大器、电桥、应变片、电压表、测微头
实验原理：当电桥平衡（或调整到平衡）时，输出为零，当桥臂电阻变化时，电桥产生相应输出。
实验注意事项：直流稳压电源打到4V档，电压表打到2V档，实验过程还须注意的事项： （1）在连线和更换应变片时应将直流稳压电源关闭。
（2）在实验过程中如有发现电压表过载，应将量程扩大。
（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。 （4）接全桥时请注意区别各应变片的工作状态与方向，不得接错。
实验内容：
（1） 按单臂电桥实验中的方法将差动放大器调零。 +4V
R1 R4 r
V W1 R2 –4V 图 2 全桥电路 R3 (2) 按图2接线，图中R4为应变片，其余为固定电阻，r及W1为调平衡网络。 （3）调整测微头使双平行梁处于水平位置（目测），将直流稳压电源打到士4V档。选择适当的放大增益。然后调整电桥平衡电位器，使电压表示零（需预热几分钟表头才能稳定下来）。
（4）向上旋转测微头，使梁向上移动每隔0.5mm读一个数，将测得数值填入下表： 位移（mm） 10 10.5 13 11 27 11.5 40 12 53 12.5 67 13 81 13.5 95 14 109 14.5 124 电压（mV） 0 （5）保持差动放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一应变片（一片为拉时，另一片为压），形成半桥，调好零点，同样测出读数，填入下表： 位移（mm） 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 电压（mV） 0 27 55 81 107 134 160 186 14 210 14.5 236 （6）保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个电阻换成另两片相反工作的应变片，接成一个直流全桥，调好零点，将读出数据填人下表： 位移（mm） 10 10.5 55 11 109 11.5 162 12 215 12.5 270 13 321 13.5 378 14 425 14.5 482 电压（mV） 0 （7）在同一坐标纸上描出三根X一V曲线，比较三种接法的灵敏度，并分析实验结果：
V-X6005004824253783212702362151862101621601341091241091079581815555536740272701310121416电压/mv400300200100002468位移/mmV1V2V3
由图中的斜率可以知道V3的斜率最大，由灵敏度的定义可知道全桥的灵敏度最高，半桥的灵敏度次之，单臂电桥的灵敏度最低。
五、思考题
1．如用最小二乘法拟合三根X一V曲线，写出各自的线性化方程。理论上三种接法中哪一种线性最好？对实际结果是否符合理论情况作出具体分析。
根据最小二乘法拟合直线，得到线性化方程： 单臂（R4为应变片）：V?27.76X?276.9
线性误差?L1??LmaxYFS?100%=
3.62122?100%=2.97%
半桥（R3和R4为应变片）：V?49.467X?493.467 线性误差?L2??LmaxYFS?100%=
1.34224?100%=0.60%
全桥（R1、R2、R3和R4都为应变片）：V?99.694X?996.176
线性误差?L3??LmaxYFS?100%=
1.76450?100%=0.39%
通过上述比较所得，线性度：单臂<半桥<全桥，与理论上一致
实验二 应变片与交流电桥、应变片电桥的应用