传感与检测技术实验指导书新Word文件下载.docx

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电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路相对臂电阻乘积相等，电桥输出电压为零。

在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化量分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4，桥路的输电压出与应变成正比。

通常应变测量电桥都采用等臂桥，此时R1=R2=R3=R4=R，△R1=-△R2=△R3=-△R4=△R。

当使用一个应变片接成单臂桥时，则有；

当使用二个应变片接成差动半桥时，则有；

若用四个应变片接成差动全桥时，则有。

根据电路分析可以得出：

单臂测量电桥的输出电压UO=KUiεR/4，差动半桥输出电压UO=KUiεR/2，差动全桥输出电压UO=KUiεR；

相应地单臂测量电桥输出电压的灵敏度Ku=UO/△R/R=Ui/4，差动半桥输出电压的灵敏度Ku=UO/△R/R=Ui/2，差动全桥输出电压的灵敏度Ku=UO/△R/R=Ui。

由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大；

当Ui和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

三、需用器件及单元

实验台主控箱（±

4V、±

15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4位半数显万用表。

图1－1应变式传感器安装示意图

四、实验内容与步骤

图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图

（一）应变传感器实验模板电路调试及说明

1．实验模板说明

如图1-1所示，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R1、R2、R3、R4已接入图1—2所示实验电路的左上方，传感器中各应变片的静态值均为350Ω。

实验时，当托盘加上法码后，应变片R1、R3为承受拉应变，其阻值增加；

应变片R2、R4承受压应变，其阻值减小；

R1、R2、R3、R4应变后阻值的大小可用万用表测量。

图1—2中R5、R6、R7为标准电阻，图中没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者搭接差动半桥和全桥电路提供方便，图中的黑粗线表示外接连线。

2.实验模板差动放大器调零

图1—2中Rw1和Rw2为电桥调零电位器，Rw3和Rw4为差动放大器调零电位器。

由于测量电桥输出电压很小，实验时其输出需接高输入阻抗、高放大倍数的差动运算放大器。

运算放大器投入测量放大工作之前，需要进行静态调零。

调零的方法如下：

（1）接入模板电源±

15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板上调零电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）。

（2）将差放电路的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器Rw4，使数显表显示电压值为零（数显表的切换开关打到2V档），完毕关闭主控箱电源。

（二）应变片单臂电桥实验

1.单臂电桥接线及调零

参考图1－2接入应变片R1，作为一个桥臂，R1与R5、R6、R7（在模块内已连接好的标准电阻）接成应变片单臂测量电桥。

接上桥路电源±

4V（从主控箱引入），检查接线无误后，合上主控箱电源开关，调节Rw1使数显表显示电压值为零。

2.单臂电桥实验

在应变传感器实验托盘上放置一只砝码，读取数显表显示的电压值；

依次增加砝码并读取相应的数显电压值，记入表1.1中。

表1.1应变片单臂电桥实验数据表

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

3.实验要求

根据表1.1记录的实验数据，画出加载实验曲线，计算应变片单臂测量电桥输出电压的灵敏度S＝ΔU/Δg（ΔU输出电压变化量，Δg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满量程输出量（平均值）。

实验完毕，关闭电源。

（三）应变片半桥实验

1.半桥接线及调零

参考图1－3接线，应变片R1、R2为一对差动电阻应变片（一为拉应变、一为压应变），两应变片接于差动半桥的两相邻边上。

保持实验步骤

（二）电位器Rw3、Rw4不变，接入桥路电源±

4V，调节Rw1，使数显表电压指示为零。

图1－3应变式传感器半桥实验接线图

2.半桥实验

（1）在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表显示的电压值；

依次增加砝码并读取相应的数显电压值，记入表1.2中。

（2）依次减少砝码并读取相应的数显电压值，将实验数据记入表1.2。

表1.2应变片半桥实验数据表

加载电压（mv）

减载电压（mv）

根据表1.2记录的实验数据，画出加载及减载实验曲线，计算灵敏度S,非线性误差δ、回程误差大小。

（四）应变片全桥实验

1.全桥接线及调零

参考图1－4接线，应变片R1、R2、R3、R4接成差动全桥（R1、R3、为拉应变，R2、R4为压应变）。

保持实验步骤（三）电位器Rw3、Rw4不变，接入桥路电源±

图1－4全桥性能实验接线图

2.全桥实验

依次增加砝码并读取相应的数显电压值，记入表1.3中。

（2）依次减少砝码并读取相应的数显电压值，将实验数据记入表1.3。

表1.3应变片全桥实验数据表

根据表1.3记录的实验数据，画出加载及减载实验曲线，计算灵敏度S,非线性误差δ、回程误差大小。

五、注意事项

1.实验前应检查实验接线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线；

2.接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时应轻轻把反方向转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂；

3.认真检查实验接线，确认接线无误并经指导教师检查后才能启动仪器电源，仪器内部稳压电源（±

2V、±

6V、±

8V、±

10V、±

15V）不能对地短路。

4.接入半桥和全桥的应变片须注意其受力方向，使其接成差动式。

六、思考题

1.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、负应变片均可以。

2.半桥测量时，二片不同受力状态的应变片接入电桥时应放在

（1）对边、

（2）邻边，为什么？

3.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：

（1）可以

（2）不可以。

4.比较单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较，阐述理由。

实验二差动变压器特性分析

1．掌握差动变压器的基本结构及工作原理；

2.掌握差动变压器测位移的原理和方法；

3．了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响；

4.了解差动变压器残余电压及其补偿方法。

二、实验原理

1．差动变压器工作原理

差动变压器是一种互感式传感器，是利用变压器初级线圈与次级线圈之间互感的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，以实现非电量的测量。

差动变压器有多种结构形式，但应用最多的是螺管式差动变压器（如图2-1所示）。

差动变压器主要用于测直线位移，测量位移的范围1－100（mm）；

差动变压器亦可用于测量150HZ以下的低频振动加速度、压力、张力等可以转换为机械位移变化的非电物理量。

图2-1差动变压器原理图

在图2-1（a）中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，3为线圈绝缘框架，4表示动铁，变量ΔX表示动铁的位移变化量。

在图2-1（b）中，R1和L1表示初级线圈1的电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1和M2表示初级线圈分别与两次级线圈间的互感，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。

当初级线圈L1加上一定的交流电压u1时，在次级线圈中，由于电磁感应所产生感应电压e21和e22，其大小与铁芯的轴向位移成比例。

把感应电压e21和e22反极性连接，便得到差动输出电压U2∝M2-M1。

当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1=Rm2，即互感M1=M2，故此时输出电压U2=0；

②当动铁上移时，磁阻Rm1＜Rm2，则M1＞M2，此时输出电压U2＜0；

③当动铁下移时，磁阻Rm1＞Rm2，则M1＜M2，此时输出电压U2＞0。

因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。

2．灵敏度

差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁移动单位距离时所产生的输出电压，以mv/mm表示，一般大于50mv/mm。

三、需用器件与单元

差动变压器实验模块、差动变压器、测微头、双踪示波器、音频信号源、直流电源、万用表。

四、实验内容与步骤

（一）差动变压器测位移性能实验

1.根据图2-2，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

2.测微头的安装与使用

（1）测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

如图2-3所示，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。

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。

（2）测微头的轴套上有两排刻度线，标有数字的（上排）是整毫米刻线（1ｍｍ／格），未标数字的（下排）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。

（3）测微头的读数方法是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2-3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