虚拟仪器仪表综合实验装置实验指导书

1实验一温度传感器实验一、实验目的掌握温度传感器的特性、工作原理及其应用。二、实验原理实验电路图如图1-2所示，R2用作加热电阻，R3为负温度系数热敏电阻NTC，用来检测加热温度的变化，R3、R4、R5、R6组成全桥电路，当J1的1-2端、J2的1-2端断开时，则桥路后面的精密仪器放大器的输入电压为0，此时可以通过调节电位器RW对放大电路进行调0；当J1的1-2端、J2的1-2端接通时，则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大，从而在Uo的输出端得到随加热温度变化而变化的电压信号。本实验中的温度传感器采用了热敏电阻，热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成，可以分为负温度系数热敏电阻NTC（NegativeTemperaturecoefficientThermistor）和正温度系数热敏电阻PTC（PositiveTemperatureCoefficientThermistor），临界温度系数热敏电阻CTR（CriticalTemperatureResistor）三种，本实验用的是负温度系数热敏电阻NTC，NTC通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于C0300~100之间的温度测量，它的电阻值随着温度的升高而减小，其经验公式为：0110TTBTeRR，式中，R0是在25C0时或其他参考温度时的电阻，0T是热力学温度（K），B称为材料的特征温度，其值与温度有关，主要用于温度测量。NTC和PTC的特征曲线如图1-1所示：图1-1图1-2D1REDR12.7K123HLK1SW-HL+15VR3R527KR4100R63K+5V2374618U2OP072374618U3OP072374618U4OP073274618U1OP07R1147KR85.1KR7100KR105.1KR9100KR1410KR1510KR1651KR1751KR182KR232KR195.1KR212KR222K12Uo+15V+15V-15V-15V-15V+15V+15V-15VD33.2VD23.2VR202K-5VR242K+5VR1220KR1320KRW10KC10.1uFC20.1uFC30.1uFC40.1uFC50.1uFC60.1uFC70.1uFC80.1uFR2270/3WJ2J11231232三、实验设备万用表、温度传感器调理模块。四、实验内容与步骤1．将“温度传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上；2.在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）；3、进行调理电路的调零：先将“温度传感器调理模块”的拨动开关拨向下方（此时模块上的灯暗）；用短路帽短接此模块上J1、J2下方的两个插脚，再调节电位器RW，用万用表测量OU的两端，使输出电压为零；再把短路帽切换到J1、J2上方的两个插脚。4、调零完成之后，再把拨动开关拨向上方（模块上的灯亮），此时电阻R2处于加热状态，用万用表测量OU的两端，在加热过程中，观测并记录输出电压的变化情况。五、思考题归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。六、实验报告要求1、整理实验数据，分析热敏电阻NTC的阻值随温度变化的情况；2、画出热敏电阻NTC的温度特征曲线。3实验二金属箔式应变片——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、实验原理应变片的安装位置如图2-2所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各电阻应变片已接入到“THVZ-1型传感器实验箱”上，从左到右依次为R1、R2、R3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。图2-2应变式传感器安装示意图金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：lRS（1）当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小S，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化R。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：RlSRlS（2）式中的ll为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位（1=1×610mmmm）。若径向应变为rr，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比表示为lrrl（），因为SS=2（rr），则（2）式可以写成：01212RlllkRlllll（）（）（3）4式（3）为“应变效应”的表达式。0k称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k受两个因素影响，一个是（1+2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是（），是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则210k，对半导体，0k值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数0k=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系E（4）式中σ——测试的应力；E——材料弹性模量。可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。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受力状态变化、电桥的作用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，对单臂电桥输出电压U=EKε/4，式中E为电桥供电电压，K为应变灵敏系数。应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。图2-1应变式传感器信号调理实验电路图R520KR65.1KR85.1K2374618U2OP072374618U3OP07R720KC20.01uFC10.01uFR1020KR1220K+15V+15V-15VR1110KR1310KR1551KR1451K+15V-15VR162KR1710KUo1D23.3VD13.3VR181.5K+15VR195.1K2374618U4OP07R2020K+15V-15VR212KUi3274618U1OP07R221.5K-15VRW210K-15VR9100C30.1uFC40.1uFC50.1uFC60.1uFC70.1uFC80.1uFC90.1uFC100.1uFPort1Port212Uo5三、实验设备THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。四、实验内容与步骤1．将“应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上，在确保上述模块插放无误后，从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源（电源的大小及正负极性不能接错）2．检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将应变式传感器信号调理实验电路的输入端Ui与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）3．按图2-3将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7在模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，如图2-3所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1，使数显表显示约为零（万用表2V档测量）。4．在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并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2-1，关闭电源。表2-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值重量(g)20406010012014016018020080电压(v)0.20.40.611.21.381.571.681.880.874107L,d,d,,,d,,,,6图2-3应变式传感器单臂电桥实验接线图5．根据表1-1计算系统灵敏度WUS/（U输出电压的变化量，W重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yFS×100％式中m（多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS满量程输出平均值,此处为200g。五、实验注意事项1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、实验报告要求1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2．从理论上分析产生非线性误差的原因。7实验三金属箔式应变片——半桥性能实验一、实验目的1．掌握半桥的工作原理。2．比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、实验原理把不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝U=EKε/2。三、实验设备传感器实验箱（二）中应变式传感器实验单元，传感器调理电路挂件中应变式传感器实验模板、砝码、智能直流电压表（或虚拟直流电压表）、±15V电源、±5V电源。四、实验内容与步骤1．接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控台电源开关，进行差动放大器调零，方法为：将图2-1的输入端Ui两端均与地短接，调节实验模板上调零电位器Rw2，使Uo端输出电压为零，（万用表2V档测量）。关闭主控台电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）2．根据图3-1接线。R1、R2为实验模板上的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，所标的箭头表示受力方向，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±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验二中的步骤8图3-1应变式传感器半桥实验接线图4、5，将实验数据记入表3-1，计算灵敏度WUS/2，非线性误差2f。若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。表3-1半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）五、实验注意事项1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、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：（1）对边？（2）邻边？2．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？七、实验报告要求1．记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。2．分析为什么半桥的输出灵敏度比单臂电桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。9实验四金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的掌握全桥测量电路的原理及优点。二、实验原理全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，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U03＝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明显改善。三、实验设备THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。四、实验内容与步骤1．根据4-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表4-1；进行灵敏度和非线性误差计算。表4-1全桥输出电压与加负载重量值重量（g）电压（mV）10图4-1应变式传感器全桥实验接线图实验注意事项1．不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2．电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。七、实验报告要求：1．根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。2．比较单臂、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分