《工程测试技术》实验指导书14页.docx

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《工程测试技术》实验指导书14页

《工程测试技术》实验指导书

实验一电阻应变片的原理及应用………………………………………………………………3

实验二电容式传感器的原理及应用……………………………………………………………8

实验三光纤传感器原理及应用…………………………………………………………………11

实验四光电和磁电传感器原理及应用…………………………………………………………14

实验一电阻应变片的原理及应用

一、实验目的：

1.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。

2.比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

3.了解全桥测量电路的优点。

二、实验设备：

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：

㈠单臂电桥实验

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）

E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

图1-2单臂电桥面板接线图

㈡半桥性能实验

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图1-3所示。

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

（1-3）

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。

E为电桥电源电压。

式1-3表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

图1-3半桥面板接线图

㈢全桥测量电路

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1-4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

（1-4）

式中E为电桥电源电压。

为电阻丝电阻相对变化；

式1-4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1-4全桥面板接线图

四、实验内容与步骤

㈠单臂电桥实验

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200mV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（采用200mV档）。

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）

㈡半桥性能实验

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。

2．按图1-3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A步骤2。

3．按图1-3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㈠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1-2。

表1-2

重量（g）

电压（mv）

㈢全桥测量电路

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㈠步骤2。

3．按图1-4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㈠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。

表1-3

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

㈠单臂电桥实验

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。

㈡半桥性能实验

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。

㈢全桥测量电路

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

1、引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？

2、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！

实验二电容式传感器的原理及应用

一、实验目的

1.了解电容传感器的结构及特点。

2.了解电容式传感器进行位移量测量的应用。

3.了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。

二、实验仪器

电容传感器、电容变换器、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套、低通滤波器、信号源、频率/转速表、振动源、示波器。

三、实验原理

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。

利用平板电容器原理：

（2-1）

式2-1中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0为真空介电常数，εr为介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。

所以电容传感器可以分为三种类型：

改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介电常数的变介电常数式。

这里采用变面积式，如图2-1，两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。

通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进行测量。

图2-1电容传感器内部结构示意图

四、实验内容与步骤

㈠电容式传感器进行位移量测量的实验步骤

1．按图2-2安装好电容传感器，并将电容传感器引出线与“电容插座”相连接。

2．将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连，“电容变换器”的输出接到数显直流电压表，如图2-3所示。

（注：

此处应选用三根相同长度的实验导线）

3．打开直流电源开关。

将电容传感器的下极板调至中间位置，调节电容变换器的增益调节旋钮，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。

（增益调节电位器确定后不能改动）

4．旋动测微头推进电容传感器的中间极板（下极板），左右各移动1cm,每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表2-1。

表2-1

X（mm）

V（mV）

图2-2电容传感器安装示意图

图2-3电容传感器连接图

㈡电容传感器的动态性能的测量实验步骤

1．将电容传感器安装到升降架的悬臂梁上，传感器引线接入“电容”插座。

如图2-4，将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连（注：

选用三根相同长度的实验导线）。

将“电容变换器”的输出端接“低通滤波器”的输入端，“低通滤波器”输出端接示波器。

增益调节调到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮”使电容传感器的动极板处于中间位置，使电压表显示为零。

2．将信号源Us2接到“振动源输入”，Us2频率选“10-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。

3．检查接线无误后，打开直流电源，调节Us2激励信号的幅度，用示波器观察“电容变换器”输出波形。

将幅度调至Vp-p为8V。

图2-4电容传感器动态试验接线图

4．保持Us2的幅度旋钮不变，改变振动频率（用数显频率计监测），用示波器测出Uo输出的峰-峰值。

填入下表。

表2-2

振动频率（HZ）

Vp-p（V）

五、实验报告

1、根据表2-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

2、分析差动电容传感器测量振动的波形，作F-Vp-p曲线，找出振动源的固有频率。

六、注意事项

当频率较小时，振动幅度较小，输出波形毛剌较为严重（毛剌为机械振动产生），实验频率可从10Hz左右开始，实验现像较为明显。

实验三光纤传感器原理及应用

一、实验目的

1.了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。

2.了解光纤位移传感器用于测转速的方法。

二、实验仪器

Y型光纤传感器、测微头、反射面、差动放大器、电压放大器、数显电压表频率/转速表、转动源、示波器。

三、实验原理

㈠反射式光纤位移传感器实验

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。

其原理如图3-1所示，光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。

光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。

当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。

显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。

随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。

反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

图3-1反射式光纤位移传感器原理

图3-2光纤位移传感器安装示意图

㈡光纤传感器的测速实验

利用光纤位移传感器探头对旋转被测物反射光的明显变化产生电脉冲，经电路处理即可测量转速。

四、实验内容与步骤

㈠反射式光纤位移传感器实验

1．光纤传感器的安装如图3-2所示，将Y型光纤结合处安装在传感器固定支架上，光纤分叉两端插入“光纤插座”中。

探头对准镀铬反射板（铁质材料圆盘），固定在测微头上。

按图3-3接线，电压放大器的输出接直流电压表。

2．将测微头起始位置调到10cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。

3．将“差动变压器”与“电压放大器”的增益调节旋钮调到中间位置。

打开直流电源开关。

4．将“电压放大器”输出端接到直流电压表（20V档），仔细调节调零电位器使电压表显示为零。

5．旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔0.1mm读出一次输出电压Ｕ值，填入下表3-1

表3-1

X（mm）

U0（V）

图3-3光纤位移传感器接线图

㈡光纤传感器的测速实验

1．将光纤传感器安装在传感器升降架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头距离反射点1mm左右（在光纤传感器的线性区域内）。

接线如图4-3所示。

2．用手拨动转盘，使探头避开反射面（对集合避免产生暗电流），“电压放大器”的输出端接到直流电压表输入。

调节调零电位器使直流电压表显示为零。

（调零电位器确定后不能改动）。

3．将电压放大器输出端接到频率/转速表的输入“f/n”。

4．打开直流电源开关，将0~24V可调直流稳压电源分别接至“转动源输入”和“直流电压表”，改变电压，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应的转速（稳定时间约1分钟）。

也可用示波器观测电压放大器输出的波形。

并将数据填入下表：

表4-2

驱动电压（V）

+6V

+8V

+10V

+12V

+14V

+16V

+18V

+20V

转速n（rpm）

五、实验报告

1.根据所得的实验数据，确定光纤位移传感器大致的线性范围，并给出其灵敏度和非线性误差。

2.分析光纤传感器测量转速原理，根据记录的驱动电压和转速，作V-n曲线。

六、注意事项

光纤请勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤其要注意保护，否则会光通量损耗加大造成灵敏度下降。

实验四：

光电和磁电传感器原理及应用

一、实验目的

1.了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。

2.了解磁电式传感器的原理及应用。

二、实验仪器

1.转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、示波器

2.转动源、磁电感应传感器、0~24V直流电源、频率/转速表、示波器

三、实验原理

1.光电传感器实验原理：

光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。

2.磁电传感器实验原理

磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即

其中W是线圈匝数，Φ为线圈所包围的磁通量（本实验中当永磁磁钢接近传感器时，磁通量增加，反之，减小）。

若线圈相对磁场运动速度为v或角速度ω，则上式可改为

或

e=-WBSω，

l为每匝线圈的平均长度；

B为线圈所在磁场的磁感应强度；

S为每匝线圈的平均截面积。

四、实验内容与步骤

1.光电传感器实验内容与步骤：

⑴如图4-1所示，光电传感器已经安装在转动源上，将“0~24V直流稳压电源”接至“转动源输入”。

调节0~24V直流稳压电源驱动转动源。

将+5V电源接到底面板上转动源传感器输出部分，Uo1为“光电”输出端，将Uo1与接地端分别接到频率/转速表的“f/n输入”的正、负端。

图4-1光电测转速安装示意图

⑵打开直流电源开关，用不同的电压驱动转动源，待转速稳定后记录相应的转速（稳定时间约1分钟），填入表4-1，同时可通过示波器观察光电传感器的输出波形。

表4-1光电传感器驱动电压和转速关系表

驱动电压（V）

+6V

+8V

+10V

+12V

+14V

+16V

+18V

+20V

转速n（rpm）

2.磁电传感器实验内容与步骤：

⑴按如图4-2所示安装磁电感应式传感器，磁钢已经固定在转盘上。

传感器底部距离转动源4～5mm（目测），磁电式传感器连至“双线接口”插座，再将底面板上“双线接口”的输出端接到频率/转速表。

⑵将“0~24V可调稳压电源”与“转动源输入”相连，用数显电压表测量其电压值。

⑶打开实验台电源，调节直流稳压电源0~24V驱动转动源（注意正负极，否则烧坏电机），可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后（稳定时间约1分钟），记录对应的转速，填入表4-2。

也可用示波器观测磁电传感器输出的波形。

图4-2磁电式传感器安装示意图

表4-2磁电传感器驱动电压和转速关系表

驱动电压（V）

+6V

+8V

+10V

+12V

+14V

+16V

+18V

+20V

转速n（rpm）

五、实验报告

1.光电传感器实验：

根据测的驱动电压和转速，作V-n曲线。

并与其他传感器测得的曲线比较。

2．磁电传感器实验：

⑴分析磁电式传感器测量转速原理。

⑵根据记录的驱动电压和转速，作V-rpm曲线。

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