《传感技术》实验指导书

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、实验仪器传感器实验箱（一）、应变片传感器模块、托盘、砝码、数显直流电压表、±15V、±5V电源、万用表。三、实验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：ΔR/R=Kε，式中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。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，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。图1-1图1-2通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压Uo=RRRRE211/4（1-1）E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=%10021RR。四、实验内容与步骤1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到实验箱(一)右上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。2．从实验台上接入±15V直流电源到实验箱“直流电源”插座上，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R2）接入电桥与R5、R6、R7（已焊在线路板上）构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好调零电位器RW1，接上桥路电源±5V（从控制屏引入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，开启实验台电源，在应变片传感器托盘上不加砝码时，调节Rw3大约在中间位置，然后固定Rw3不动，用电压表2V档测量桥路输出，调节Rw1，使桥路输出为零。3．在应变片传感器托盘上放置一个砝码，读取电压表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的电压表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入表1-1，关闭实验台电源。表1-1重量(g)020406080100120140160180200电压(V)五、实验报告根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％，式中Δm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为满量程（200g）输出平均值。六、注意事项加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！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、实验仪器同实验一。三、实验原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为Uo=Eε/2RRE2（2-1）E为电桥电源电压，式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。四、实验内容与步骤1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图2-1。图2-12．按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源±5V（从实验台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui。从实验台上接入±15V直流电源到实验箱“直流电源”插座上。确保无误后，开启实验台电源开关。在应变片传感器托盘上不加砝码时，调节Rw3大约在中间位置，然后固定Rw3不动，用电压表2V档测量桥路输出，调节Rw1，使桥路输出为零。3．依次增加砝码和读取相应的数显直流电压表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表，关闭电源。表2-1重量(g)20406080100120140160180200电压(V)五、实验报告根据表2-1的实验资料，计算灵敏度L=ΔU/ΔW，非线性误差δf2六、思考题引起半桥测量非线性误差的原因是什么？实验七差动变压器性能实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性。二、实验仪器传感器实验箱（一）、差动变压器模块、测微头、差动变压器、信号源、直流电源、虚拟示波器。三、实验原理差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。输出的变化反映了被测物体的移动量。四、实验内容与步骤图7-1图7-21．根据图7-1将差动变压器安装在实验箱一的传感器座上。2．将传感器引线插头插入实验模块的插座中，按图7-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出），音频信号由“信号源音频端口”输出，从实验台上接入±15V直流电源到实验箱“直流电源”插座上。确保无误后，开启实验台上电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用频率/转速表和虚拟示波器软件监视），使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V。3．用虚拟示波器的CH1观测差动变压器的输出，旋动测微头，使虚拟示波器观测到的波形峰－峰值Vp-p为最小值。这时可以左右移动测微头，假设其中一个方向为正位移，另一个方向为负位移，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从虚拟示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表7－1，再从Vp-p最小处反向位移做实验。在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。五、实验报告1．实验中差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表7－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。表（7-1）差动变压器位移X值与输出电压数据表。V(mV)X(mm)实验十九电涡流传感器的位移特性实验一、实验目的了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二、实验仪器传感器实验箱（一）、电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表。三、实验原理通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。四、实验内容与步骤1．按下图19-1安装电涡流传感器。图19-12．在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。图19-23．传感器连接按图19-2，将电涡流传感器连接线接到模块上标有“”的两端，实验模块输出端Uo与直流电压表输入端Ui相接。直流电压表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用2号导线从实验台上接入+15V电源。4．合上实验台上电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表19-1。X（mm）UO(V)表19-1五、实验报告1．根据表19-1数据，画出U－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，并计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端点法或其它拟合直线）。