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检测技术实验报告

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及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：

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元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。

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=EKε/4。

三、实验器材

主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

图2-1应变式传感器安装示意图

如图2-1，将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，应变式传感器（电子秤传感器）已安装在应变传感器实验模板上。

传感器左下角应变片为R1，右下角为R2，右上角为R3，左上角为R4。

当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小。

如图2-2，应变传感器实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片。

没有文字标记的5个电

阻是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设的。

传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。

可用万用表进行测量判别，常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。

四、实验步骤

1、根据图2-3工作原理图、图2-2接线示意图安装接线。

图2-2应变传感器实验模板、接线示意图

图2-3单臂电桥工作原理图

2、放大器输出调零:

将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi＝0）；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

3、电桥调零:

拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原。

调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使电压表显示为零。

4、应变片单臂电桥实验:

在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500g）砝码加完。

实验结果填入表2-1，画出实验曲线。

表2-1

重量（g）

电压（mv）

5、根据表2-1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU为输出电压变化量，ΔW为重量变化量）

和非线性误差δ。

δ=Δm/yFS×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；yFS为满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

解：

S=5/20=0.25δf1=Δm/yFS×100％=2/200×100％=1％

实验完毕，关闭电源。

*6、利用虚拟仪器进行测量。

五、思考题

单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片；

（2）负（受压）

应变片（3）；正、负应变片均可以。

答：

应选用正应变片。

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＝EKε／2。

三、实验器材

主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

图2-4半桥工作原理图

图2-5应变传感器实验模板、接线示意图

四、实验步骤

1、根据图2-4工作原理图、图2-5接线示意图安装接线。

2、放大器输出调零:

将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，用导线将两输入口短接（Vi＝0）；调节放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使电压表显示为零。

3、电桥调零:

恢复实验模板上放大器的两输入口接线，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零。

4、应变片半桥实验:

在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500g）砝码加完。

实验结果填入表2-2，画出实验曲线。

表2-2

重量（g）

电压（mv）

109

5、计算灵敏度S＝U／W，非线性误差δ。

S＝U／W=11/20=0.55

δ=（1/109）*100%=0.091%

6、实验完毕，关闭电源。

*7、利用虚拟仪器进行测量。

五、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。

答:

邻边。

2、半桥测量时，两片相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。

答:

对边。

3、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。

答:

电桥测量原理上存在非线性。

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，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。

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＝KEε。

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、实验器材

主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。

图2-6全桥工作原理图

图2-7应变传感器实验模板、接线示意图

四、实验步骤

1、根据图2-6工作原理图、图2-7接线示意图安装接线。

2、差动放大器调零:

3、电桥调零:

恢复实验模板上放大器的两输入口接线，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主机箱电压表显示为零。

4、应变片全桥实验:

在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500g）砝码加完。

实验结果填入表2-3，画出实验曲线。

表2-3

重量（g）

电压（mv）

106

126

5、计算灵敏度S＝U／W，非线性误差δ。

实验完毕，关闭电源。

S＝U／W=21/20=1.05

δ=1/209×100％=0.48％

*6、利用虚拟仪器进行测量。

五、思考题

1、测量中，当两组对边（如R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1

≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以；

（2）不可以。

答：

不可以。

2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图２-８，能否如何利用四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图2-8受拉力时应变式传感器圆周面展开图

答：

将这两组应变片分别按照两个不同的方向贴在棒材上面就可以了，然侯利用不同的两组测量值就可以组成一个全桥电路，进而获得测量结果，无需再引入外界电阻。

3、金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

基本原理如图2-9（a）、（b）、（c）。

比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，

得出相应的结论。

注意：

比较实验中，（a）、（b）、（c）放大电路的放大器增益必须相同。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图2-9应变电桥

1单臂

设

<<1

2半桥

3全桥

实验五差动变压器的性能实验

一、实验目的

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理

差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和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（一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少）。

将两只次级反向串接（同名端连接），引出差动电势输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、实验器材

主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。

四、实验步骤

1、测微头的组成与使用

测微头组成和读数如图3-1。

图3-1测位头组成与读数

测微头组成：

测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。

测微头读数与使用：

测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），另一排是半毫米刻线（０.５ｍｍ／格）；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（０.０１ｍｍ／格）。

用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。

微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。

测微头读数方法：

先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值，可以估读1／10分度，如图3-1甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图3-1乙已过零则读２.５１４ｍｍ；如图3-1丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。

测微头使用：

测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。

当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

图3-2差动变压器性能实验原理图

图3-3差动变压器性能实验模板、接线图

２、差动变压器实验

①按图3-3接线。

将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；＊号为同名端。

②差动变压器的原边Ｌ１的激励电压从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4～5KHz（可用主机箱的频率表输入Fin来监测）；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div）。

③松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套使差动变压器的次级输出（示波器第二通道）波形Vp-p为较小值（变压器铁芯大约处在中间位置）。

拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使差动变压器的次级输出波形Vp-p为最小值

（零点残余电压），并定为位移的相对零点。

这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一个方向位移为负。

④从零点（次级输出波形Vp-p为最小值）开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm（可取10～25点）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表3-1。

一个方向结束后，再将测位头退回到零点反方向做相同的位移实验。

⑤从零点决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，

由于测微头存在机械回差而引起位移误差。

实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量而回调，如过量则只好剔除这一点

继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。

当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到次级输出波形Vp-p最小处时它

的位移读数有变化（没有回到原来起始位置），这是正常的。

做实验时位移取相对变化量△Ｘ为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。

3、实验过程中注意差动变压器次级输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压。

根据表3-1画出Vop-p－X曲线，作出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。

实验完毕，关闭电源。

表3-1

正

向

V（mv）

109

128

X（mm）

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

V（mv）

224

243

261

281

X（mm）

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

反

向

V（mv）

156

180

X（mm）

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1.0

-1.2

-1.4

V（mv）

X（mm）

-1.6

-1.8

-2.0

-2.2

-2.4

-2.6

-2.8

-3.0

±1mm时S分别为87/1=87（mv/mm）131/（-1）=-131（mv/mm）

δ分别为5.4/92×100％=5.86%1/131×100％=0.76%

±3mm时S分别为276/3=92（mv/mm）302/（-3）=-100.67（mv/mm）

δ分别为5.4/281×100％=1.92%83/307×100％=27.03%

最后一个非线性误差的出现是由于当刻度过大时得到的电压已经到了非线性区，图形已经不为线性。

五、思考题：

1、用差动变压器测量振动频率的上限受什么影响？

答：

受铁磁材料磁感应频率响应上限影响。

2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答：

差动变压器一般用于作为检测元件，而一般变压器一般作为电源变换部件或者信号转换部件。

差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及铁芯组成，。

当传感器随着被测物体移动时，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感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。

而一般电源变压器是是把两个线圈套在同一个铁心上构成的。

实验九电容式传感器的位移实验

一、实验目的

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理

利用电容C＝εA／d的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传感器。

本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图3-6所示：

由二个圆筒和一个圆柱组成。

设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πｘ／ln（R／r）。

图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生ΔX位移时，电容量的变化量为ΔC=C1－C2=ε2π2ΔX／ln（R／r），式中ε2π、ln（R／r）为常数，说明ΔC与位移ΔX成正比，配上配套测量电路就能测量位移。

图3-6电容式位移传感器结构

图3-7电容传感器位移实验原理图

三、实验器材

主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。

四、实验步骤

1、按图3-8将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1接主机箱电压表的Ｖin。

2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：

逆时针转到底再顺时传３圈）。

图3-8电容传感器位移实验安装、接线图

3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档，合上主机箱电源开关；

旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ，再转动测微头（向同一个方向）5圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；

此后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数，共转10圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）；

将数据填入表3-7并作出Ｘ—Ｖ实验曲线。

表3-7电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

15.175

14.675

14.175

13,675

13.175

12.675

12.175

11.675

11.175

10.675

V（mv）

-728

-564

-364

-215

-47

711

4、根据表3-7数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。

答：

灵敏度S=142/0.5=284（mv/mm）非线性误差

=16/711×100％=2.25%

实验完毕，关闭电源。

五、思考题

试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪

些因素?

答：

由于是测谷物的湿度的，其原理呢：

当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，其结构使用电容传感器，利用湿度的变化引起的ε的变化使得两遍的电容变化，可以得到电容值和湿度的关系，这样就得到了谷物湿度的值。

通过资料得知，当谷物含水率超过19%时，传感器根本无法工作，测不出所需的电容值。

所以传感器在设计中当ε的变化过大时，不能确定其湿度。

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