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简介：合肥工业大学宣城校区2019级传感器实验报告，面向测控、自动化、电子等专业学生及需要完成传感器课程实验的读者。报告完整记录了电阻应变式传感器半桥性能测试、金属箔式应变片全桥性能测试等核心实验，并延伸至直流全桥电子秤定标、圆筒型差动电容式传感器位移特性测试，内容涵盖实验目的、原理、接线、数据记录与分析，以及灵敏度、非线性误差计算和误差原因讨论，能够帮助读者理解电阻应变效应、电桥测量电路优缺点及电容传感器工作原理，掌握传感器实验的规范操作与数据处理方法。资源为1个docx文档，压缩包大小9.16MB，内容完整可直接参考借鉴。目前已有597人学习使用，适合用于实验预习、报告撰写或复习备考。

1. 这份传感器实验报告能让你少走哪些弯路？

提到传感器实验报告，多数人想到的是公式抄写和表格粘贴。这份某高校2019级传感器实验报告却值得细拆：它完整记录了应变式电阻传感器半桥性能测试、金属箔式应变片全桥测试、直流全桥电子秤定标、差动电容位移测量、差动变压器性能测试五个实验，从差动放大器调零、电桥接线、砝码加载到灵敏度与非线性误差计算，全部保留原始数据。适合正在做检测技术课程设计的学生，也适合刚接触应变电桥测量的初级工程师。读完你能直接照做的，不只是接线，而是知道每一步调零和计算背后的为什么。如果正被“为什么半桥非线性大、全桥更稳”这类问题卡住，这份报告里就有答案。

2. 从半桥到全桥：电桥测量的灵敏度与线性度对比

2.1 电阻应变效应：为什么应变片能感知形变

应变式电阻传感器的核心是电阻应变效应：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。描述电阻应变效应的公式为：

ΔR/R = Kε

其中 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。也就是说，金属丝被拉长时电阻变大，被压缩时电阻变小，变化的比例与应变大小成正比。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组件，它比早期的丝式应变片更薄、贴合性更好，粘贴在弹性体上之后能同步感受弹性体的形变。

实验台上的弹性体是双孔悬臂梁结构，四个金属箔应变片分别贴在梁的上下两侧。梁在受力弯曲时，上表面受拉、下表面受压，所以上下两片应变片的阻值变化方向相反。理解了这个机械结构，才能理解后面接线的规则：受拉片和受压片是一对，同向形变的应变片是另一对，它们在电桥里放置的位置直接决定了输出是叠加还是抵消。

2.2 半桥接线与输出公式：为什么强调“受力相反接邻边”

半桥只接入两只应变片，而且必须是受力相反的两只，一片受拉、一片受压，接入电桥的邻边。为什么一定是邻边而不是对边？因为邻边应变片阻值变化方向相反时，桥路的差动输出正好叠加，输出电压变大；如果接成对边，输出会互相抵消，灵敏度反而下降。

当两只应变片初始阻值相同、应变数也相同时，半桥输出电压为：

Uo = EKε / 2

E 为电桥电源电压，本实验取 ±4V；K 为应变灵敏系数；ε 为应变片阻值变化率。式 2-1 表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。单臂电桥的输出表达式里有高次非线性项，应变量较大时偏差明显；半桥利用两个变化方向相反的桥臂，把非线性项抵消了一部分，输出更接近直线。

提示：接线前先把四片应变片的位置和受力方向标在纸上，再对照图纸接线。很多人实验做错，问题不是出在原理上，而是把受拉片和受压片放错了桥臂位置。

2.3 全桥结构：四片应变片让灵敏度翻倍

全桥测量电路中，受力性质相同的两只应变片接到电桥对边，受力不同的两只接到邻边。四片应变片全部参与工作，当初始阻值相等、变化量也相等时，桥路输出为：

Uo = EKε

对比半桥看，全桥输出电压是半桥的两倍，灵敏度在此基础上再翻一倍，非线性误差也进一步得到改善。实验数据也验证了这个结论：半桥从 20g 加到 200g，输出电压从约 4mV 增加到 470mV，计算灵敏度约为 2.38mV/g；全桥从约 123mV 增加到 1043mV，灵敏度约为 5.11mV/g，接近半桥的 2.2 倍。

不过全桥有一个容易忽略的前提：四只应变片的初始阻值必须一致，否则电桥空载时输出电压就不为零，而且无法通过预调平衡调回零位。报告里专门问了一个问题：当两对边阻值相等、邻边不相等时，能否组成全桥？答案是：不可以。因为此时电桥输出电压不为零，预调平衡失效。

仪器做全桥实验翻车，多半不是电路问题，而是应变片初始阻值不一致，或者接线配对错误。换应变片时尽量选同一批次、阻值相近的，全桥对称性才保得住。

3. 四类实验的完整操作流程：从调零到数据记录

3.1 差动放大器调零：所有实验的第一步

报告里每个实验的第一步都是差动放大器调零，这不是例行公事。差动放大器将电桥输出的微小电压差放大后送数显表，如果放大器本身有偏置，后面所有读数都会叠加上一个固定偏移，灵敏度计算虽然没有影响，但零点和线性度都会被带偏。

调零步骤：

1. 从实验台接入 ±15V 电源到应变传感器实验模块，检查无误后合上电源开关。
2. 将差动放大器输入端 Ui 短接并与地短接，输出端 Uo2 接数显直流电压表，选择 2V 档。
3. 将电位器 Rw4 调到增益最大位置，也就是顺时针转到底。
4. 调节电位器 Rw3，使电压表显示为 0V，然后关闭电源。

这里最容易被新手忽略的是 Rw4 要先调到增益最大，再调 Rw3。如果增益太小，调零时电压表分辨率不够，看起来是零，实际可能偏差几十毫伏。调零完成后，Rw3、Rw4 的位置就不能再动，否则整个实验的增益基准就变了。我复现这类实验时习惯在电位器旋钮上做个记号，防止后来误触。

3.2 半桥与全桥加载：从空载到 200g 的标准流程

半桥接线时，将受力相反的两只应变片接入电桥的邻边，实验台 ±4V 电源接入电桥。加托盘后，把电桥输出接到差动放大器输入端 Ui。合上主控台电源后，要预热五分钟，再调节 Rw1 使电压表显示为零。

预热这一步很多人直接跳过，觉得浪费时间。但应变片和放大器都有温漂，冷态和热态下的零点差好几毫伏，预热后再调零，数据才稳定。我一般会趁预热时间把砝码按顺序排好，减少后续操作间隔。

调零完成后开始逐级加载：放上 20g 砝码，读取数显表数值；依次增加砝码并读数，直到 200g 砝码加完。每加一个砝码，等电压表稳定 3-5 秒再读数，避免砝码晃动带来的瞬时干扰。全桥流程完全一样，只是把四片应变片按“受力相同接对边、受力不同接邻边”的规则接入。

3.3 电子秤定标：电压量纲到重量量纲的换算

电子秤定标原理与全桥测量相同，核心是满量程标定：通过调节放大电路的放大倍数，让电路输出电压和重量一一对应，最后把电压量纲直接改成重量量纲，就是一台最原始的电子秤。

操作分两步：

1. 将 10 只砝码（共 200g）全部放到传感器托盘上，调节 Rw3，使数显电压表显示 0.200V（2V 档）。
2. 拿走所有砝码，观察电压表是否回到 0.000V。如果不为零，重复“差动放大器调零、加托盘后电桥调零”的步骤，再回到第 1 步，反复验证直到空载、满载都精确。

这一步最容易被忽略的是顺序：必须先调零再标定，而且要空载、满载来回验证至少两遍。如果先调满量程再调零，两个电位器互相牵扯，来回要调很多趟。标定完成后，20g 对应 0.020V，40g 对应 0.040V，以此类推。原始记录表里的电压值直接写成了 20、40、60，明显是漏了小数点，复算时应该按 0.020V、0.040V 来理解。

注意：未知重物重量不要超过 1Kg，超出量程后电桥输出进入非线性区，读数会严重偏差。

3.4 电容位移与差动变压器实验：位移量读取要点

电容传感器实验用的是变面积式差动电容结构：两只平板电容器共享一个下极板，下极板随被测物体移动时，两只电容器的有效面积一只增大、一只减小。三个极板引出导线，形成差动电容输出。测量时先把传感器调到中间位置，调节 Rw 使电压表显示为 0，再用测微头推进共享极板，每隔 0.2mm 记录一次位移和电压。

差分信号的好处很明显：正方向位移输出电压为正增长，负方向为负增长，零点附近的灵敏度比单电容高，而且温度漂移被两只电容抵消。从记录数据看，线性段大约在 ±1.2mm 以内，超过这个范围输出开始饱和。

差动变压器实验与电容实验不同：它由一只初级线圈、两只次级线圈和一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动铁芯时初级与次级线圈之间的互感发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只减小；将两只次级线圈反向串联后引出，就是差动输出。实验时激励信号从振荡器 0° 端输出，频率调到 4-5kHz、幅度 Vp-p=2V，用示波器监测。

差动变压器的零点不是电压为零，而是铁芯在中间位置时输出最小，这个最小值就是零点残余电压。测量时先在示波器上找到 Vop-p 的最小点作为机械零点，再左右移动铁芯，每隔 0.2mm 记录 Vop-p。要注意，示波器读的是峰峰值，只反映位移大小，不反映方向；判断方向要靠观察初、次级线圈波形的相位关系——铁芯从零点向另一侧移动时，输出波形相位会反相。

4. 避坑与排查：实验数据不准的五个常见原因

4.1 调零不精确导致初始漂移

现象：空载读数不在零点附近，每次开机电压表数值不稳定，而且调零后隔几分钟又跑偏。

原因：差动放大器调零时输入端短接不彻底，Ui 端没真正与地短接；或者调零完成后误碰了 Rw3、Rw4，增益基准被改动。

解决：调零前确认输入端与地可靠短接；调零完成后用记号笔标记电位器位置；每次开机后先复测零点，漂移超过 ±2mV 就重新调零。如果多次调零后仍不稳定，重点检查实验台电源接地是否可靠，±15V 电源纹波过大也会让零点抖动。

4.2 绝缘电阻过低带来漏电误差

现象：测量数据跳动没有规律，结果偏大或偏小，加载和卸载过程中读数回程不对齐。

原因：应变片与弹性体之间的绝缘电阻过低，应变片和试件之间形成漏电通路。潮湿环境、长期使用的实验台更容易出现，敏感栅金属丝与弹性体间绝缘不良时，电桥平衡被破坏。

解决：测量前用万用表高阻档检查应变片对弹性体的绝缘电阻，正常应该在数十兆欧以上；环境湿度大时提前开机预热，必要时用吹风机驱潮；实验过程中不要用手直接触碰应变片引线和弹性体。

4.3 温度变化引起零点漂移

现象：空载电压随时间缓慢变化，刚开机的前几分钟尤其明显，同一砝码在不同时段读数不同。

原因：敏感栅金属丝电阻本身随温度变化；试件材料和电阻丝的线膨胀系数不同，热胀冷缩产生的附加应变叠加到测量信号上。这两个因素引起的电阻变化，无法通过电桥对称性完全抵消。

解决：严格按实验步骤预热五分钟后调零；加载过程尽量连续、快速，避免长时间停顿；需要长时间测量时，定期回到空载状态复测零点，以最新零点为准扣除漂移。

4.4 差动变压器的零点残余电压

现象：铁芯在中间位置时，示波器上的 Vop-p 不是零，还有一个不小的底数。继续调节测微头，输出先减小后增大，最小值附近有一个较宽的“死区”。

原因：两个次级线圈的电气参数不可能完全一致，反向串联后残余感应电动势没有完全抵消，形成零点残余电压。铁芯材质不均匀也会带来附加残余。

解决：不要一看到电压小就认定“调到零了”，要用示波器观测 Vop-p 的最小值点作为机械零点；数据处理时把最小输出作为零点偏移统一扣除；如果残余电压过大，检查次级线圈是否真正同名端反接，或者铁芯固定位置是否偏斜。

4.5 接线错误与激励幅值过大

现象一：电路接好通电后，输出电压毫无反应，调节电位器也调不到零点附近。

原因：接线时把应变片位置接错了，受拉片和受压片放错了桥臂。看似接触良好，实际电桥配置不对，差动输出被抵消。

解决：断电后按接线图逐步核对，用万用表测量每个应变片的阻值确认位置；不要带电查线。报告里有一组同学就是通电后怎么调都不对，最后断电逐根排查才发现是接线错误，重新接好后一次通过。

现象二：差动变压器实验时传感器发热，示波器波形严重失真。

原因：激励信号幅值过大，原边线圈电流过大导致温升和磁饱和。

解决：先接好示波器，把振荡器输出调到频率 4-5kHz、幅度 Vp-p=2V 后再接入传感器；不确认幅度禁止通电。原边信号幅值过大容易烧毁线圈，这是实验台最容易发生的硬件故障。

5. 灵敏度与非线性误差计算验证：从手算到脚本复现

5.1 灵敏度计算：取点区间决定结果

报告里灵敏度定义为 L=ΔU/ΔW，但取点方式不同，结果会有差异。端点法取首尾两点：

L = (1043-123) mV / (200-20) g ≈ 5.11 mV/g

按最小二乘拟合，斜率会更接近整体趋势，但两端有轻微饱和时，拟合值会比端点法略低。我复现这类数据时，会先画散点图确认线性段范围，再计算，避免把非线性段算进灵敏度里。

5.2 非线性误差：端基直线法算线性度

非线性误差通常用端基直线法：连接首尾两个数据点作为参考直线，找出所有数据点与该直线的最大偏差 ΔU_max，除以满量程输出 U_FS，就是线性度。

δf = ΔU_max / U_FS × 100%

这个值越小，传感器线性越好。全桥之所以在精密称重中更常用，就是因为它的端基直线偏差比半桥更小。报告对比结论也印证了一点：全桥的非线性度小于半桥。

5.3 用 Python 脚本复现数据计算

拿到原始数据后，我习惯直接写个小脚本算灵敏度和线性度，避免手算抄错。全桥数据为例：

import numpy as np # 砝码重量，单位 g w = np.array([20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200]) # 输出电压，单位 mV u = np.array([123, 223, 325, 428, 531, 632, 734, 838, 942, 1043]) # 端点法灵敏度 k_end = (u[-1] - u[0]) / (w[-1] - w[0]) print(f"端点法灵敏度: {k_end:.3f} mV/g") # 最小二乘拟合 k_fit, b_fit = np.polyfit(w, u, 1) print(f"拟合灵敏度: {k_fit:.3f} mV/g, 截距: {b_fit:.2f} mV") # 端基直线法非线性误差 u_ref = k_end * (w - w[0]) + u[0] # 端基参考直线 u_max_dev = np.max(np.abs(u - u_ref)) print(f"最大偏差: {u_max_dev:.2f} mV, 线性度: {u_max_dev / (u[-1] - u[0]) * 100:.2f}%")

逻辑说明：w 和 u 分别是重量与电压数组，用首尾两点算一次端点法灵敏度，再用 np.polyfit 做一阶拟合得到整体斜率；最后以端基直线为参考，算出最大偏差和线性度。参数上注意单位统一，重量用 g、电压用 mV，算出来的灵敏度就是 mV/g。

从那以后，我每次拿到传感器实验数据都会先画散点图、确认线性段范围，再跑一遍这个脚本，把两种方法的灵敏度一起输出，报告里的数字就算被追问也有据可依。希望帮到你。

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