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1、学 海 无 涯 实验一传感器实验 班号：机械 91 班学号：2009010410,姓名：戴振亚,1,同组同学：裴文斐、林奕峰、冯荣宇 1、电阻应变片传感器 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。 了解半桥的工作原理，比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点 了解全桥测量电路的原理及优点。 了解应变直流全桥的应用及电路的标定 二、实验数据 A、单臂电桥输出电压与所加负载重量值,B、半桥测量输出电压与加负载重量值,C、全桥输出电压与加负载重量值,D、电桥输出电压与加负载重量值,三、实验结果与分析 1、性能曲线 A、单臂电桥性能实验 由实验数据记录可以计算出的系统的灵敏
2、度 S=U/W=0.21(mV/g)，所以运用直线 拟合可以得到特性曲线如下图所示。,学 海 无 涯,B、半桥性能实验 由实验记录的数据我们可以得到半桥系统的灵敏度为 S=U/W=0.41(mV/g)，所以我 们可以运用直线拟合实验数据得到性能曲线如下图所示。,C、全桥性能实验 由实验记录的数据我们可以得到全桥系统的灵敏度为 S=U/W=0.78(mV/g)，所以我 们可以运用直线拟合实验数据得到性能曲线如下图所示。,y = 0.2089x - 0.0133 R = 1,45 40 35 30 25 20 15 10 5 0,重量,单臂特性曲线,单臂 线性(单臂) 05010015020025
3、0 电压,y = 0.4057x - 0.4533 R = 1,90 80 70 60 50 40 30 20 10 0,重量,半桥性能曲线,半桥 线性(半桥) 050100150200250 电压,2,学 海 无 涯,D、电子称实验 由实验记录的数据我们可以得到全桥系统的灵敏度为 S=U/W=-1(mV/g)，所以我们 可以运用直线拟合实验数据得到性能曲线如下图所示。,y = 0.7874x - 0.2933 R = 1,180 160 140 120 100 80 60 40 20 0,重量,全桥性能曲线,全桥 线性(全桥) 050100150200250 电压,y = -0.99x +
4、0.4 R = 1,-200 -250,-150,-100,-50,0,0,50,100,150,200,250,重量,电压 2、分析 a、从理论上分析产生非线性误差的原因 由实验原理我们可以知道，运用应变片来测量，主要是通过外界条件的变化来引起应 变片上的应变，从而可以引起电阻的变化，而电阻的变化则可以通过电压来测得。而实际中， 电阻的变化与应变片的应变的变化不是成正比的，而是存在着“压阻效应”，从而在实验的 测量中必然会引起非线性误差。 b、分析为什么半桥的输出灵敏度比单臂时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。 首先我们由原理分析可以知道，单臂电桥的灵敏度为 e0=(R/4R0)*ex，而
5、半桥的灵敏 度为e0=(R/2R0)*ex，所以可以知道半桥的灵敏度是单臂时的两倍，而由实验数据中我们也 可以看出，而由于半桥选用的是同侧的电阻，为相邻两桥臂，所以可以知道 e0=(R1/R0-,电子称性能曲线,电子称 线性(电子称),3,学 海 无 涯 R2/R0)*ex/4，而R1、R2 的符号是相反的，同时由于是同时作用，减号也可以将温度等其 他因素引起的电阻变化的误差减去而使得非线性误差得到改善。 c、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出 结论。 由实验数据我们可以大致的看出，灵敏度大致上为 S 全=2S 半=4S 单，而非线性度可以比较 为单臂半
6、桥全桥，有理论上分析，我们也可以得到相同的结果。主要是因为有电桥电路的 原理分析可知：e0=（R1/R-R2/R+R3/R-R4/R）*eX/4，所以我们可以得到全桥的灵敏度 等于半桥的两倍，单臂的四倍，而非线性度我们也可以得到单臂最差，因为其他因素影响大， 而半桥、全桥由于有和差存在，将其他因素的影响可以略去。所以非线性度相对来说较好。 d、分析什么因素会导致电子称的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度， 应采取哪些措施。 主要是在于传感器的精度以及测量时的误差会导致电子称的非线性误差增大，我们可以 通过增加传感器的精度，同时减少传感器的非线性误差，通过全桥连接来减小，同时注意零 点
7、的设置，来消除非线性误差。若要增加输出灵敏度，可通过选取适当的电桥电路来改变， 比如原来是半桥的改为全桥则可以增加输出灵敏度。 四、思考题 1，半桥测量时，两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（2）邻边。 2，桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（2）应变片的应变效应是非线性 的。 3，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 R1R2 时，是否可以组成全桥：（1）可以 4，某工程技术人员在进行材料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。 不需要，只需如图中右图即可。,2、差动变压器
8、 一、实验目的 了解差动变压器的工作原理和特性。 了解三段式差动变压器的结构。 了解差动变压零点残余电压组成及其补偿方法。,4,学 海 无 涯 (4) 了解激励频率对差动变压器输出的影响。 二、实验数据 A、差动变压器的性能测试 差动变压器铁芯位移（从 Vp-p 最小处右移）X 值与输出电压数据表,差动变压器铁芯位移（从 Vp-p 最小处左移）X 值与输出电压数据表,三、实验结果与分析 1、特性曲线 A、差动变压器的性能测定 由实验数据我们就可以得到微头右移与左移的特性曲线，如下图所示。,y = 158.42x + 9.3333 R = 0.9999,100 50 0,150,250 200,
9、300,350,0,0.5,1,1.5,2,2.5,V/mV,X/mm,微头右移特性曲线,右移 线性(右移),5,学 海 无 涯,y = -157.76x + 1.8667 R = 0.9999,50 0,200 150 100,300 250,350,-2.5,-2,-1.5,-1,-0.5,0,V/mV,X/mm 2、分析 a、分析实验 A 中产生非线性误差的原因 实验 A 中产生非线性误差的原因主要是移动铁芯时，受到磁场的作用而使得测量存 在误差，同时由于测量读数的误差也可能引起相应的数据误差而导致非线性误差，而从实验 原理上进行分析，我们可以知道由于输入信号的频率可能存在不稳定，而导致
10、输出的电压有 相应的波动，而导致非线性误差的存在。 b、分析产生零点残余电压的原因，对差动变压器的性能有哪些不利的影响。用那些方 法可以减小零点残余电压。 零点残余电压的存在是由于传感器的阻抗是一个复数阻抗，有感抗也有阻抗，为了达 到电桥的平衡，就要求线圈的电阻相等，两线圈的电感也相等，实际上，这种情况是很难精 确达到的，所以虽然我们虽然能让铁芯移到中间位置，但是由于两电感线圈的等效参数不对 称而造成了零点电压的存在。零点电压会导致差动变压器的灵敏度下降，非线性误差增大， 甚至造成放大器的末级趋于饱和。要减小零点电压，主要是通过使两电感线圈的等效参数尽 可能的相对称，同时尽量让输入电压趋于稳定
11、，这样才能减小零点残余电压。 四、思考题 1、用差动变阻器测量较高频率的振幅，例如 1KHz 的振动幅值，可以吗？差动变压器测量 频率的上限受什么影响。 用差动变压器不能测量较高频率的振幅，因为频率过高会使线圈的寄生电容增大，对于 性能稳定不利。而频率的上限主要是受到初级线圈的电感和损耗电阻的影响。 2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同。 差动变压器是通过被测物体移动时，初级线圈与次级线圈之间的互感发生变化促使次级 线圈感应电势产生变化。而一般的电源变压器是通过改变初期线圈与次级线圈的匝数来实现 变压，其相同点是都是利用两线圈之间的感应变化来实现变压的目的。其不同点在于差动变 压器通过改
12、变两线圈的互感系数来改变，而一般的电源变压器是通过改变匝数来改变电压。 5、温度传感器 一、实验目的,微头左移特性曲线,左移 线性(左移),6,学 海 无 涯 了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。 了解热电阻的特性与应用。 了解热敏电阻的特性与应用。 二、实验数据 集成温度传感器的特性实验数据,三、实验结果与分析 1、特性曲线 A、集成温度传感器,2、实验分析 a、简单说明 AD590 的基本原理，讨论电流输出型与电压输出型集成温度传感器的优缺 点。 AD590 的基本工作原理是将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接 的给出正比于绝对温度的理想线性输出。电流输出型集成
13、温度传感器不易受接触电阻、引线 电阻、电压噪声的干扰。具有很好的线性，测量精度高，同时相当于一个恒流源，则电流的 波动会引起相应的误差，而电压输出型集成温度传感器是通过电压的输出，所以灵敏度高， 但是易受电压噪声的干扰。 b、集成温度传感器的非线性误差分析 集成温度传感器的非线性误差主要是由于测量过程中加热或者是冷却速度的不同而造 成的，本次试验中我们采取的是通过测量温度上升过程的电压值与下降过程的电压值取平均 值来得到相应的数据，而在上升过程中由于目标温度直接设置成为 100 度，可能在加热的过 程中持续不断地加热，导致测量的电压数而偏大，而在温度下降的过程中直接设为 0 度，则 使得温度下
14、降的过快，而测量的电压数偏小，所以采用平均值则可以消除误差，非线性得到 改善。,y = 0.9855x + 266.93 R = 0.9974,320 310,350 340 330,370 360,0,20,40,80,100,120,电压,60 温度,集成温度传感器特性曲线,系列1 线性(系列1),7,8,学 海 无 涯 四、实验总结 本次实验主要是通过测量传感器的相应量的变化来熟悉传感器测量的机理与过程，而且 通过本次实验，我也是加深了对于传感器的认识，对于电阻式应变片的工作原理以及相应的 电桥电路的选择，差动变压器的工作原理和集成温度传感器的相应的原理有了更多的了解。 同时我们也可以从我们实验测得的数据中看出，理论与实际还是存在一定的误差的，但是每 种传感器的特性曲线，虽然都存在着一定的非线性误差，但是比较小，而且还可以有待我们 进行改进。,
