检测与转换技术

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，单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理：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：

?R/R?K?

式中?R/R为电阻丝电阻的相对变化，K为应变灵敏系数，???l/l为电阻丝长度相对变化，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，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压UO1?EK?/4。

三、需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显

应变片 托盘

引出线 固定垫圈 弹性体 限程螺丝 模块

固定螺丝 加热丝 应变片 图1-1 应变式传感器安装示意图

表（主控台上电压表）、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

1、检查应变传感器的安装

根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模块上，可用万用表进行测量判别，各应变片初始阻值R1= R2= R3= R4=350Ω，加热丝初始阻值为50Ω左右。

2、差动放大器的调零

首先将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针到底（即此时放大器增益最大。然后将差动放大器的正、负输入端相连并与地短接，输出端与主控台上的电压表输入端Vi相连。检查无误后从主控台上接入模块电源±15V以及地线。合上主控台电源开关，调节实验模块上的调零电位器Rw4，使电压表显示为零（电压表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（注意： Rw4的位置一旦确定，就不能改变，一直到做完实验为止）

3、电桥调零

适当调小增益Rw3（顺时针旋转3-4圈，电位器最大可顺时针旋转5圈），将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上方的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，其中模块上虚线电阻符号为示意符号，没有实际的电阻存在），按图1-2完成接线，接上桥路电

接主控箱 接数显表 电源输出 V 地 i加热 R1 接主控箱 +4V 电源输出 -4V 接主控箱 电源输出 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

源±4V（从主控箱引入），同时，将模块左上方拨段开关拨至左边“直流”档（直流档和交流档调零电阻阻值不同）。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节电桥调零电位器Rw1，使数显表显示为零。 备注：

1、如出现零漂现象，则是应变片在供电电压下，应变片本身通过电流所形成的应变片温度效应的影响，可观察零漂数值的变化，若调零后数值稳定下来，表示应变片已处于工作状态，时间大概5—10分钟。

2、如出现数值不稳定，电压表读数随机跳变情况，可再次确认各实验线的连接是否牢靠，且保证实验过程中，尽量不接触实验线，另外，由于应变实验增益比较大，实验线陈旧或老化后产生线间电容效应，也会产生此现象。 4、测量并记录

在电子秤上放置一只砝码，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 单臂电桥输出电压与加负载重量值

重量（g） 电压（mv） 5、计算灵敏度和误差

根据表1-1计算系统灵敏度S，S=?u/?W（?u输出电压变化量；?W重量变化量）；计算非线性误差：?f1=?m/yF ?S×100%，式中?m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，此处为500g或200g。

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。

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（实验模块上对应变片的受力方向有标识）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Uo2=EK?/2。

三、需要器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表（主控台上电压表）、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

1、 保持金属箔式应变片实验中的Rw3和Rw4的当前位置不变。

2、根据图2-1接线。R1、R2为实验模块左上方的应变片，此时要根据模块上的标识确认R1和R2受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，检查连线无误后，合上主控箱电源，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。依次轻放标准砝码，将实验数据记入表2-1，根据表2-1计算灵敏度S=?u/?W，非线性误差?f2。

接主控箱电接数显表

源输出 Vi 地

接主控箱电源输出

图2-1 应变式传感器半桥实验接线图

表2-1 半桥测量时，输出电压与加负载重量值

重量（g） 电压（mv） 五、思考题：

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。

实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。

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，受力方向不同的接入邻边，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Uo3=KE?。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。

三、需用器件和单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表（主控台上电压表）、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

四、实验步骤：

图3-1接线图

1、保持单臂、半桥实验中的Rw3和Rw4的当前位置不变。

2、根据图3-1接线，实验方法与半桥实验相同，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，将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。

表3-1全桥输出电压与加负载重量值

重量（g） 电压（mv） 3、根据表3-1计算系统灵敏度S，S=?u/?W（?u输出电压变化量；?W重量变化量）；计算非线性误差：?f1=?m/yF ?S×100%，式中?m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。

实验十五 电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：利用平板电容C??A/d和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择?、A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（?变）、测微小位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、数显单元（主控台电压表）、直流稳压源。

四、实验步骤： 1、

2、将电容传感器专用连线插入电容传感器实验模块专用接口，接线图如图15-2

Vi 接

主控箱数地 显表接主控箱电源输出

按图15-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。

电容传感器 模块 测量架 测微头

图15-1电容传感器安装示意图

图15-2 电容传感器位移实验接线图

3、将电容传感器实验模块的输出端Vo1与数显表单元（主控台电压表）Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，每隔0.5mm记下位移X与输出电压值（此时电压档位打在20v），填入表4-1。

表15-1 电容传感器位移与输出电压值

X（mm） V（mv） 5、根据表15-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差?f。

画出特性曲线 v=f(x)

实验十七 直流激励时霍尔式传感器的

位移特性实验

一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：根据霍尔效应、霍尔电势UH = KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器按图17-1安装。霍尔传感器与实验模块的连接按图17-2进行。1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置，再调节Rw1（Rw3处于中间位置）使数显表指示为零。

2 1 1 3 2 4 3 4 Vi 主控箱 数显表 连线插座编号 1、3为电源线 2、4为信号输出

图17-1

图17-2 霍尔传感器位移直流激励接线图

3、旋转测微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表17-1。

表17-1

X（mm） V（mv） 作出V-X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、思考题：

本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？

实验三十三 热电偶测温性能实验

一、实验目的：了解热电偶测量温度的性能与应用范围。

二、基本原理：当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度值，温度低的接点就称冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的0oC、25oC。

三、需用器件与单元：热电偶K型、E型、温度测量控制仪、数显单元（主控台电压表）、直流稳压电源±15V。

四、实验步骤：

1、 在温度控制仪上选择控制方式为内控方式，将K，E热电偶插到温度测量控制仪的插孔中，K型的自由端接到温度控制仪上标有传感器字样的插孔中。 2、 从主控箱上将±15V电压，地接到温度模块上，并将R5，R6两端短接同时接地，打开主控箱电源开关，将模块上的Vo2与主控箱数显表单元上的Vi相接。将Rw2旋至中间位置，调节Rw3使数显表显示为零。设定温度测量控制仪上的温度仪表控制温度T=40℃。

3、 去掉R5，R6接地线及连线，将E型热电偶的自由端与温度模块的放大器R5，R6相接，同时E型热电偶的蓝色接线端子接地。观察温控仪表的温度值，当温度控制在40℃时，调节Rw2，对照分度表将Vo2输出调至和分度表10倍数值相当（分度表见后）。

4、 调节温度仪表的温度值T=50℃，等温度稳定后对照分度表观察数显表的电压值，若电压值超过分度表的10倍数值时，调节放大倍数Rw2，使Vo2输出与分度表10倍数值相当。

5、 重新将温度设定值设为T=40℃，等温度稳定后对照分度表观察数显表的电压值，此时Vo2输出值是否与10倍分度表值相当，再次调节放大倍数Rw2，使其与分度表10倍数值接近。

6、 重复步骤4，5以确定放大倍数为10倍关系。记录当T=50℃时数显表的电压值。重新设定温度值为40℃+n△t,建议△t=5℃,n=1……7，每隔1n读出数显表输出电压值与温度值，并记入表11-3中。

表33-1 E型热电偶电势（经放大）与温度数据(考虑到热电偶的精度及处理电路的本身误差，分度表的对应值可能有一定的偏差)

表33-1

T+n·Δt

V（mv） 五、思考题：

1、同样实验方法，完成K型热电偶电势（经放大）与温度数据

2、通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？ 3、能否用Pt100设计一个直接显示摄氏温度-50oC-50oC的数字式温度计，并利用本实验台进行实验。

E型热电偶分度表

E 参考端温度：0℃ 整10度μν值 ℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 0 6317 13419 21033 28943 36999 45085 53110 61022 68783 10 591 6996 14161 21814 29744 37808 45891 53907 61806 69549 20 1192 7683 14909 22597 30546 39426 46697 54703 62588 70313 30 1801 8377 15661 23383 31350 40236 47502 55498 63368 71075 40 2419 9078 16417 24171 32155 41045 48306 56291 64147 71835 50 3047 9787 17178 24961 32960 41853 49109 57083 64924 72593 60 3683 10501 17942 25754 33767 42662 49911 57873 65700 73350 70 4329 11222 18710 26549 34574 43470 50713 58663 66473 74104 80 4983 11949 19481 27345 35382 44278 51513 59451 67245 74857 90 5646 12681 20256 28143 36190 45085 52312 60237 68015 75608 1000 76358

表33-1

T+n·Δt

V（mv） 五、思考题：

1、同样实验方法，完成K型热电偶电势（经放大）与温度数据

2、通过温度传感器的三个实验你对各类温度传感器的使用范围有何认识？ 3、能否用Pt100设计一个直接显示摄氏温度-50oC-50oC的数字式温度计，并利用本实验台进行实验。

E型热电偶分度表

E 参考端温度：0℃ 整10度μν值 ℃ 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 0 6317 13419 21033 28943 36999 45085 53110 61022 68783 10 591 6996 14161 21814 29744 37808 45891 53907 61806 69549 20 1192 7683 14909 22597 30546 39426 46697 54703 62588 70313 30 1801 8377 15661 23383 31350 40236 47502 55498 63368 71075 40 2419 9078 16417 24171 32155 41045 48306 56291 64147 71835 50 3047 9787 17178 24961 32960 41853 49109 57083 64924 72593 60 3683 10501 17942 25754 33767 42662 49911 57873 65700 73350 70 4329 11222 18710 26549 34574 43470 50713 58663 66473 74104 80 4983 11949 19481 27345 35382 44278 51513 59451 67245 74857 90 5646 12681 20256 28143 36190 45085 52312 60237 68015 75608 1000 76358

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