传感与检测技术实验指导书新解读Word下载.docx
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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线重合时，应看微分筒的分度示值是否过零，如图2-3乙所示微分筒的分度示值已过零，此时读数为2.514ｍｍ；
如图2-3丙分度示值未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为1.980ｍｍ。
3.设定音频信号源：
音频信号源必须从主控箱上音频振荡器的LV端子输出，调节音频振荡器的频率，使得其输出频率为4~5KHz（可用主控箱的数显表的频率档fi输入来监测）。
调节幅度使输出幅度峰-峰值为Vp-p=2V（可用示波器监测：
X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div）。
3.参考图2-4接线，判别初次级线圈与次级线圈同名端方法如下：
确定初级线圈，设两次级线圈的任意两端为同名端，按图2-3接成差动输出形式。
初级线圈加上激磁电源（Lv端音频信号Vp-p=2V），当铁芯上、下移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形和次级线圈波形。
当次级两线圈差动输出波形幅值变化较大，过零点且正负幅值基本相等，其相位与初级线圈波形比较恰好能保持同相和反相变化，说明已连接的次级两线圈的同名端是正确的，否则改变连接再判断直到正确为止。
4.参考图2-5，松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p为较小值（即使差动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示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值（零点残余电压）并定为位移的相对零点。
实验时，以位移相对零点为起点，向左或右移动测微头时请注意两点：
①测微头只能按所定方向向前位移，中途不允许回调；
否则，由于测微头存在的机械回差可能引起位移误差。
所以，实验时每一次的位移量须仔细调节，绝对不能调节过量；
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。
②当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到位移相对零点（Vp-p最小值）处时它的位移读数（与向的前位移读数）有变化是正常的，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
5．位移性能实验
（1）测微头调到位移相对零点，旋动测微头的微分筒，使测微头向左移动；
每位移0.2mm（可取8—10点）从示波器上读出一个输出电压Vp-p值，填入下表2-1中。
表2-1差动变压器铁芯左移时实测数据表
测微头左移（mm）
零点
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Vp-p值（mv）
（2）测微头调到位移相对零点，旋动测微头的微分筒，使测微头向右移动；
每位移0.2mm（可取8—10点）从示波器上读出一个输出电压Vp-p值，填入下表2-2中。
表2-2差动变压器铁芯右移时实测数据表
测微头右移（mm）
6.实验要求
（1）根据表2-1、表2-2所测数据画出Vp-p—X曲线，指出线性工作范围。
（2）计算量程X为±
1mm、±
3mm时Vp-p/X灵敏度S（mv/mm）。
（3）分析差动变压器中的磁芯位置由右向左移动时，输出电压波形相位会怎样的变化？
（二）激励频率对差动变压器特性的影响
1．实验原理
差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式：
表示，式中L1、R1为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由上式可见：
当初级线圈激励频率太低时，若
，则有
即适当增加激励频率，可提高输出电压的灵敏度。
只有当
时，输出电压Uo与ω无关，即高频下输出电压的稳定性较好；
但过高的频率会使线圈寄生电容增大，对性能不利。
2.实验步骤
（1）保持差动变压器安装和实验接线同图2-2和图2-4所示。
（2）从主控箱上音频振荡器的LV端选择1KHz音频信号（可用主控箱的数显表频率档显示频率），移动铁芯至中间位置（即输出电压Vp-p为最小时的位置）。
（3）旋动测微头，每间隔0.2mm在示波器上读取一个Vp-p数据。
（4）分别改变激励频率为3KHz、5KHz、7KHz、9KHz，重复实验步骤（3）将测试结果记入表2-2。
表2-2不同激励频率时输出电压Vp-p与位移X的关系
1
3
5
7
9
作出每一频率下的Vp-p-X曲线，并计算其灵敏度S，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。
＊（三）差动变压器零点残余电压的补偿
差动变压器零点残余电压中主要包含两种信号成分：
基波分量和谐波分量。
1．零点残余电压的形成
（1）基波分量：
主要是由于差动变压器两个次级绕组材料或工艺差异造成等效参数（M、L、R）不同，线圈中的铜损电阻及导磁材料的铁损，线圈中线间电容的存在，都使得激励电流与所产生的磁通不相同。
（2）谐波分量：
主要是由导磁材料磁化曲线非线性引起，由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使激励电流与磁通波形不一致，产生了非正弦波（主要是三次谐波）磁通，从而在二次绕组中感应出非正弦波的电动势。
2．零点残余电压消除或减小的方法
目前零点残余电压消除或减小的方法主要是①从设计和工艺制作上尽量提高差动变压器的组成结构及电磁特性的对称性；
②引入相敏整流电路，对差动变压器输出电压进行处理；
③采用外电路补偿。
3．外电路补偿实验
（1）按图2-6接线，音频信号源从LV插口输出，实验模块中R1、C1、Rw1、Rw2为电桥单元中调平衡网络。
IC为差分放大器，
将差动变压器传感器的双端输出转换为单端输出。
（2）用示波器调整音频振荡器输出为2V峰-峰值
（3）调整测微头，使差动放大器输出电压最小。
（4）依次调整Rw1、Rw2，使输出电压降至最小。
（5）将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压比较。
（6）从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值Vp-p。
（注：
这时的零点残余电压是经放大后的零点残余电压，实际零点残余电压应为Vp-p/K,K为差分放大器的放大倍数。
（实验模快中的K≈5）。
五、思考题
1.差动变压器与一般电源变压器有什么异同？
2.差动变压器测量频率的上限受什么影响？
3.图2-7是零点残余电压补偿电路接线图之二，试分析其补偿原理。
图2-7零点残余电压补偿电路接线图之二
实验三热电阻、热电偶测温特性分析
1.掌握热电阻、热电偶测温原理和方法；
2.了解热电阻、热电偶测温特性及应用。
1.热电阻测温原理
电阻温度传感器测温原理都是利用金属或半导体材料的电阻对温度敏感的特性，常用于－200～500℃范围内温度的测量和控制。
在低温区，采用电阻温度传感器测温，不但比热电偶测温简单，而且有较高的测量精度。
电阻温度传感器用于测温时，要求其体电阻率高、稳定性好，电阻温度系数大、线性关系好。
电阻温度传感器分金属和半导体两大类，分别简称为金属热电阻和半导体热敏电阻。
目前常用的金属热电阻有铜热电阻和铂热电阻，其分度号分别为Cu50、Cu100，Pt10、Pt100。
本实验采用Pt100铂热电阻，在0-850℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：
Rt=R0（1+At+Bt2）
R0是温度为0℃时的铂热电阻的电阻值，A和B是实验常数，本实验中R0=100；
A=3.90802×
10-3º
C-1，，B=-5.080195×
10-7º
C-2。
2.热电偶测温原理
当两种不同热电特性的导体组成闭合回路时，如两个接点的温度不同，闭合回路中就会产生热电势，这就是热电效应。
温度高的接点称工作端（亦称热端），将其置于被测温度场；
温度低的接点称为自由端（也称冷端），冷端可以是室温值或经补偿后的0º
C或25º
C。
Pt100热电阻（用于热电阻测温实验）、E型热电偶（用于热电偶测温实验）、加热源、温度控制仪、K型热电偶（用于监测温度控制仪上加热源的温度）、温度传感器、万用表，热电阻和热电偶分度表见附录一。
（一）热电阻测温
1．选用温度控制仪，仔细阅读附录二温度控制仪操作说明，将温度控制仪上的220V电源插头插入主控箱两侧配备的220V控制电源插座上。
2．选择内控方式，将K型热电偶的测温端（热端）插入加热源顶端的一个插孔中，将其自由端（冷端）引线插入温度控制仪正面的传感器插孔中，红线为正极。
3．用Pt100铂电阻代替图4-1中热电阻Rt，用万用表欧姆档测出Pt100铂电阻三根引线中短接的两根线接Rt的b端，另一根线（红线）接Rt的a端，于是Pt100与R1、R3、R4、Rw1、组成直流单臂测量电桥。
Rw1中心活动点与R6相接，如图4-1所示。
输出端b和中心活动点之间在室温下输出电压为零，用万用表测量。
4．在端点a与地之间加直流源2V，调Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出电压为零，用万用表测量。
5．图4-1实验电路接入±
15V工作电源，将Vo2与数显电压表相接，拨至2V电压显示档，调Rw3使室温下数显电压为零。
6．设定温度值50º
C，将Pt100探头插入插入加热源的另一个插孔。
，开启加热开关，待温度控制在50º
C时记录下数显电压表读数值。
重新设定温度值为50º
C+n·
Δt，建议Δt=5º
C，n=1……10，每隔1n读出一数显表的电压值，记录入表4-1中。
表4-1Pt100测温数据表
t（º
C）
50
Vo2（mv）
7．根据表4-1测温数据计算其非线性误差。
（二）热电偶测温
1．保持
（一）热电阻测温实验步骤1和2不变，取下图4-1中Pt100铂电阻
2.将E型热电偶的测温端（热端）插入加热源顶端的另一个插孔中，其自由端接入图4-1实验电路中标有热电偶符号的a、b孔上，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端。
3.将R5、R6端接地，重新接通实验电路电源±
15V，调Rw2使Vo1为零；
将Vo2与数显电压表相接，调Rw3使数显电压表显示零位。
设定温控模块仪表控制温度值T=50º
4.去掉R5、R6接地线，将E型热电偶两自由端a和b分别与放大器R5、R6相接，并把b端与地相接。
5.保持温控仪指示的加热温度为50º
C，记录下Vo2的数显电压值；
C，n=1……10，每隔1n读出数显表输出电压与温度值，并记入表4-2。
表4-2热电偶测温数据表
6．根据表4-2测温数据计算其非线性误差。
1.为什么低温下热电偶测温比热电阻测温精度还低？
2.如何根据测温范围和精度要求选用热电阻或热电偶？
3.能否用Pt100设计一个直接显示摄氏温度-50º
C-50º
C的数字式温度计，并利用本实验台进行实验？
附录
（一）热电阻和热电偶分度表
温度（º
C）
测量元件
-50
150
升级会员 