自动检测技术与传感器原理通电4学时实验指导书.docx

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自动检测技术与传感器原理通电4学时实验指导书

目　录

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

双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、±5V电源、差动放大器、电压放大器、万用表（自备）

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

（1-1）

式中

为电阻丝电阻相对变化；

为应变灵敏系数；

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，将四个金属箔应变片（R1、R2、R3、R4）分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。

图1-1双杆式悬臂梁称重传感器结构图

通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。

电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R6=R7=R8=R为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

（1-2）

为电桥电源电压；

式1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=

。

图1-2单臂电桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．按图1-2只接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连，“电压放大器”输出端接数显电压表（选择2V档），开启直流电源开关。

将“差动放大器”增益电位器与“电压放大器”增益电位器调至最大位置（顺时针最右边），调节调零电位器使电压表显示为0V。

关闭直流开关电源。

（两个增益调节的位置确定后不能改动）

3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R6、R7、R8构成一个单臂直流电桥。

电桥输出接到“差动放大器”的输入端，电压放大器的输出接数显电压表。

预热五分钟。

4．加托盘后调节Rw2使电压表显示为零。

5．在应变传感器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砝码加完，记录实验数据填入表1-1。

表1-1

重量（g）

电压（mV）

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）；

2．计算单臂电桥的非线性误差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

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。

因此，加在传感器上的压力不应过大（称重传感器量程为0.5Kg），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

（2-1）

式中

为电阻丝电阻相对变化；

为应变灵敏系数；

为电阻丝长度相对变化；

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。

图2-1半桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。

2．按图2-1接好“差动放大器”和“电压放大器电路”。

“差动放大器”调零，参考实验一步骤2。

3．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。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

5．在应变传感器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砝码加完，记下实验结果，填入表2-1。

表2-1

重量（g）

电压（mV）

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

根据所得实验数据，计算灵敏度S=ΔU/ΔW和半桥的非线性误差δf2。

六、思考题

引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？

七、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。

因此，加在传感器上的压力不应过

大（称重传感器量程为0.5Kg），以免造成应变传感器的损坏！

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、实验仪器

同实验一

三、实验原理

全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

Uo=

（3-1）

式中

为电桥电源电压。

为电阻丝电阻相对变化；

式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

图3-1全桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，R1、R2、R3、R4均为应变片，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验一步骤2。

3．按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。

5．在应变传感器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砝码加完，记下实验结果，填入下表。

重量（g）

电压（mV）

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

根据实验数据，计算灵敏度S=ΔU/ΔW和全桥的非线性误差δf3。

六、思考题

全桥测量中，当两组对边（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？

七、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。

因此，加在传感器上的压力不应过

大（称重传感器量程为0.5Kg），以免造成应变传感器的损坏！

实验四　直流全桥的应用——电子称实验

一、实验目的

了解直流全桥的应用及电路的定标。

二、实验仪器

同实验一

三、实验原理

电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出电压的放大倍数，使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。

四、实验内容与步骤

1．按实验三的步骤1、2、3接好线并将“电压放大器”调零。

2．将10只砝码置于传感器的托盘上，调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器，使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。

3．拿掉托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将“电压放大器”调零和加托盘后电桥调零。

4．重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲g即可以称重。

5．将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表。

6．拿掉砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过0.5Kg），记录电压表的读数。

根据实验数据，求出重物的重量。

重量（g）

电压（V）

7．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

根据实验记录的数据，计算电子称的灵敏度S=ΔU/ΔW，非线性误差δf4。

六、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。

因此，加在传感器上的压力不应过

大（称重传感器量程为0.5Kg），以免造成应变传感器的损坏！

实验五差压变送器调校实验指导书

一、实验目的：

1、了解差压变送器基本工作原理和结构；

2、掌握差压变送器基本操作和调校方法。

二、实验设备和仪器：

1、差压变送器1151

2、精密压力表YBT-254

3、毫安表C31-A

4、稳压电源

三、1151型差压变送器介绍

1、1151型差压变送器简介

1151压力变送器有两个气室——高压气室和低压气室。

被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔膜片和δ元件内的填充液传到预张紧的测量膜片两侧，测量膜片与两侧绝缘体上的电极各组成一个电容器。

在无压力通入或两压力均等时测量膜片处于中间位置，两侧两电容器的电容量相等；当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容就不等。

通过检测、放大、转换成4-20mA的二线制电流信号。

差压变送器用途广泛，可用于测量变送差压、液位、流量等工艺参数。

2、变送器实验基本概念

零点调整（调零点）：

当变送参数的下限值（测量起点）为零时，使得变送器的输出为标准信号的下限值（4.00mA），这样的调整称零点调整，习惯上称调零点。

在本实验中，调零点就是使得变送器的测量变送起点为0.000MPa时变送器输出为4.00mA。

零点迁移：

当变送参数的下限值（测量起点）不为零时，使得变送器输出的标准信号为下限值（4.00mA），这样的调整称零点迁移。

零点迁移就是使得变送器的测量起点不在0.000MPa（例如0.100MPa）时，使得变送器输出为4.00mA。

零点迁移有正迁移和负迁移之分，当测量变送起点由零变为某一正值时为正迁移，当测量变送起点由零变为某一负值时为负迁移。

零点调整和零点迁移的目的，都是使变送器输出信号的下限值（即统一标准信号的下限值）与测量范围（变送范围）的下限值相对应。

上限调整（满度调整）：

当变送参数为上限值（测量上限）时，使得变送器输出的标准信号为上限值（20.00mA），这样的调整称上限调整，有时也称为量程调整（不严格）。

严格讲，量程与测量上限不是同一概念。

两线制与四线制：

电源线与信号线共用的变送器称为两线制变送器，电源线与信号线分设的变送器称为四线制变送器。

本实验使用的1151型差压变送器为两线制变送器。

四、实验电路：

1151差压变送器为两线制输出，变送器实验电路如图1所示。

图1两线制差压变送器实验接线图

五、实验任务及步骤：

1、按实验电路完成接线。

2、调零

给定差压0MPa，差压变送器输出（读电流表）应为4mA。

若电流表读数不为4mA，则调整调零螺丝Z，使得差压变送器输出为4mA。

3、调整量程

通过加压球，增加差压至0.06MPa，差压变送器输出（读电流表）应为20mA。

若电流表读数不为20mA，则调整量程螺丝R，使得差压变送器输出为20mA。

4、重复实验步骤1、2

5、测量数据，计算基本误差

设计绘制表格，记录数据。

△P（MPa）

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

理论电流输出AO

实际电流输出AX

绝对误差△

计算基本误差：

得出结论：

被测仪表在0-0.06MPa范围内符合（不符合）1.0精度等级要求。

6、完成实验后，拆线，整理桌面。