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测量技术与实验报告

测量技术与实验

学院中德工学院

专业化学工程与工艺

年级09

姓名

学号

日期2011年4月7日

实验目录

金属箔式应变片——单臂电桥性能试验

1.1实验目的

1.2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

1.3实验原理

1.4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：

式中

为电阻丝电阻相对变化，K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元件，通过它状花被测部位受力状态变化。

电桥的作用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。

对单臂电桥输出电压

1.5实验器材及单元

1.6主机箱（4V、15V、电压表）、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、

位数显万用表（自备）。

1.7

1.8接线示意图

1.9

1.10实验步骤：

1.11应变传感器实验模板说明：

1.12实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的。

其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，途中的粗黑曲线表示连接线。

1.12.1根据接线图。

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。

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。

当传感器托盘指点受压时，R1、R3组织增加，R2、R4阻值减小

1.12.2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。

1.12.3应变片单臂电桥实验：

拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原（见接线图）。

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；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。

记下实验结果填入表1画出实验曲线。

表一

重量（g）

电压（mv）

1.12.4根据表1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW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满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。

实验完毕，关闭电源。

1.13实验原始数据及结果

1.14

重量（g）

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

1.15

图电压-重量曲线图

灵敏度

S=10^-4

1.16实验思考

1.17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。

答：

正（受拉）应变片

金属箔式应变片-半桥性能试验

1.1实验目的：

1.2比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

1.3实验原理

1.4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。

1.5实验器材及单元：

1.6主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。

1.7实验步骤

1.7.1将托盘安装到应变传感器的托盘支点上。

将实验模板差动放大器调零：

用导线将实验模板上的±15v、⊥插口与主机箱电源±15v、⊥分别相连，再将实验模板中的放大器的两输入口短接（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。

1.7.2拆去放大器输入端口的短接线，根据图2接线。

注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。

记下实验数据填入表2画出实验曲线，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δ。

实验完毕，关闭电源。

重量（g）

电压（mv）

1.8实验原始数据及结果

重量（g）

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

图电压-质量曲线

S=*10^-5

1.9实验思考

1.9.1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。

选

（2）

1.9.2

1.9.3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。

选

（1）

1.9.4

1.9.5

1.9.6

1.9.7

1.9.8

1.9.9

1.9.10

1.9.11

金属箔式应变片——全桥性能试验

1.1实验目的：

1.2了解全桥测试电路的优点

1.3实验原理：

1.4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U03＝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。

1.5实验器材和单元

1.6与实验二相同。

1.7实验步骤

1.7.1将托盘安装到应变传感器的托盘支点上。

将实验模板差动放大器调零：

1.7.2拆去放大器输入端口的短接线，根据图3—1接线。

实验方法与实验二相同，将实验数据填入表3画出实验曲线；进行灵敏度和非线性误差计算。

实验完毕，关闭电源。

重量（g）

电压（mv）

1.8实验结果

重量（g）

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

S=*10^-4

1.9实验思考

1.9.1.1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。

1.9.1.2答：

不可以

1.9.1.3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，如何利用这四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

1.9.1.4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，然后利用不同的两组测量值就可以组成一个全桥电路，进而获得测量加过，无需再引入外界电阻

1.9.1.5

金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较

1.1实验目的

1.2比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论

1.3实验原理：

从左至右（a）（b）（c）

1.4

（a）、U0＝U①－U③

＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R2）－R4／（R3＋R4）〕E

＝〔（1＋△R1／R1）／（1＋△R1／R1＋R2／R2）－（R4／R3）／（1＋R4／R3）〕

设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1／R1＜＜1。

U0≈（1／4）（△R1／R1）E

所以电桥的电压灵敏度:

S＝U0／（△R1／R1）≈kE＝（1／4）E

（b）、同理:

U0≈（1／2）（△R1／R1）E

S＝（1／2）E

（C）、同理:

U0≈（△R1／R1）E

S＝E

1.5实验器材及单元：

1.6主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码

1.7实验步骤

1.8根据实验一、二、三所得的单臂、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（注意：

实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。

实验完毕，关闭电源。

1.9实验结论

通过实验，也可看出全桥是半桥的两倍，半桥是单臂的两倍，也就是说，灵敏度：

全=2*半=4*单。

直流全桥的应用——电子秤实验

1.1实验目的：

1.2了解应变直流全桥的应用及电路的标定

1.3实验原理：

1.4数字电子秤实验原理如图，全桥测量原理。

本实验只做放大器输出UO实验，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。

1.5实验器材：

1.6主机箱、应变式传感器实验模板、砝码

1.7实验步骤：

1.7.1实验模板差动放大器调零：

将实验模板上的±15v、⊥插口与主机箱电源±15v、⊥分别相连。

用导线将实验模板中的放大器两输入口短接（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。

按图3－1直流全桥接线，合上主机箱电源开关，调节电桥平衡电位RW1，使数显表显示。

1.7.2将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为（2V档测量）或－。

1.7.3拿去托盘上的所有砝码，调节电位器RW4（零位调节）使数显表显示为。

1.7.4重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。

成为一台原始的电子秤。

1.7.5把砝码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入下表6。

1.7.6根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。

实验完毕，关闭电源。

重量（g）

电压（mv）

1.8实验结果

质量（g）

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

100

120

140

160

180

200

误差为0

线性度r=1

金属箔式应变片的温度影响实验

1.1实验目的：

1.2了解温度对应变测试系统的影响

1.3实验原理：

1.4电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。

敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。

因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。

1.5实验器材与单元：

1.6主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、加热器（在实验模板上，已粘贴在应变传感器左下角底部）。

1.7实验步骤

1.7.1按照实验三。

1.7.2将200g砝码放在砝码盘上，在数显表上读取数值UO1。

1.7.3将主机箱中直流稳压电源＋5v、⊥接于实验模板的加热器＋6v、⊥插孔上，数分钟

1.7.4后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot,Uot-U01即为温度变化的影响。

计算这一温度变化产生的相对误差：

1.7.5

1.7.6实验完毕，关闭电源。

1.7.7

1.8思考题：

1.9金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？

1.10答：

消除温度影响的措施是温度补偿。

在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。

它是利用电桥特性进行温度补偿的。

1．补偿块补偿法把粘贴在构件被测点处的应变片称为工作片，接入电桥的AB桥臂；另外以相同规格的应变片粘贴在与被测构件相同材料但不参与变形的一块材料上，并与被测构件处于相同温度条件下，称为温度补偿片，将它接入电桥与工作片组成测量电桥的半桥，电桥的另外两桥臂为应变仪内部固定无感标准电阻，组成等臂电桥。

有电桥特性可知，只要将补偿片正确的接在桥路中即可消除温度变化所产生的影响。

2．工作片补偿法这种方法不需要补偿片和补偿块，而是在同一被测构件上粘贴几个工作应变片，根据电桥的基本特性及构件的受力情况，将工作片正确地接入电桥中，即可消除温度变化所引起的应变，得到所需测量的应变。

光电转速传感器测速实验

1.1实验目的：

1.2了解光电转速传感器测量转速的原理及方法

1.3实验原理

1.4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（光电断续器），传感器端部二内侧分别装有发光管和光电管，发光管发出的光源透过转盘上通孔后由光电管接收转换成电信号，由于转盘上有均匀间隔的6个孔，转动时将获得与转速有关的脉冲数，将脉冲计数处理即可得到转速值。

1.5实验器材及单元：

1.6主机箱、转动源、光电转速传感器——光电断续器（已装在转动源上）

1.7实验步骤

1.8

1.8.1将主机箱中的转速调节2－24V旋钮旋到最小（逆时针旋到底）并接上电压表；再按图所示接线，将主机箱中频率／转速表的切换开关切换到转速处。

1.8.2检查接线无误后，合上主机箱电源开关，在小于12Ｖ范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。

1.8.3从2Ｖ开始记录每增加１Ｖ相应电机转速的数据（待转速表显示比较稳定后读取数据）；画出电机的ｖ—ｎ（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。

根据表24数据画出实验曲线，计算测量范围1mm时的灵敏度和非线性误差。

1.8.4实验完毕，关闭电源。

1.9实验原始数据及结果

1.10

电压（v）

转速

114

129

1.11

图转速-电压实验曲线

实验思考

1.12已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便

1.13答:

我觉得光电测速传感器较为简单,因为只要通过知晓脉冲数,即可求得他的转速.相比之下,霍尔测速电路则要分为信号拾取,信号处理和显示电路,相比之下比较麻烦.

电涡流传感器位移实验

1.1实验目的

1.2了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性

1.3实验原理

1.4通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。

涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离ｘ等参数有关。

电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡、流传感器就是基于这种涡流效应制成的。

电涡流工作在非接触状态（线圈与金属体表面不接触），当线圈与金属体表面的距离ｘ以外的所有参数一定时可以进行位移测量。

1.5实验器材及单元

1.6主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体

1.7实验步骤

1.7.1观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

测微头的读取与使用可参阅实验九；根据图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线

1.7.2调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔读一个数，直到输出几乎不变为止。

将数据列入表8-1。

X（mm）

V（v）

1.7.3根据表19数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点），试计算测量范围为1mm与3mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

实验完毕，关闭电源。

1.8实验原始数据记录及结果

1.9

1.10

1.11

表格1铁片位移-电压曲线

x（mm）

v（v）

x（mm）

v（v）

1.12

图位移-电压1-3mm曲线

图位移-电压曲线

思考题

1.12.1电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

1.12.2答：

电涡流的大小与金属导体的电阻率c，厚度t，线圈的励磁电流角频率ω以及线圈与金属块之间的距离x等参数有关。

若固定某些参数，就能根据电涡流的大小推算出另外某一参数.量程越大,探头线圈也要随着大

1.12.3用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

答:

电涡流传感器对金属材料的成分比较敏感，一般选择推荐的标准材料，例如45钢；一般来说电涡流传感器擅长微小位移的检测，例如，此时最大量程一般在几毫米的最常用。

如果量程较大，则分辨率下降，线圈直径也较大。

被测体材质对电涡流传感器特性影响

1.13实验目的

1.14了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响

1.15实验原理：

1.16涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

1.17实验器材与单元：

与实验八相同

1.18实验步骤

1.18.1实验步骤与方法同实验八。

1.18.2将实验十九的被测体铁圆片换成铝和铜圆片，重复实验十九步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别将数据列入表8－2和表8－3。

表8-2被测体味铝片时的唯一为输出电压数据

X（mm）

V（v）

表8-3被测体为铜片时的位移与输出电压数据

X（mm）

V（v）

1.18.3根据表8－2和表8－3画出实验曲线分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

1.18.4分别比较实验八和本实验所得结果进行小结。

实验完毕，关闭电源。

1.19实验原始数据记录及结果

1.20

表格2铝片位移实验数据

X（mm）

V（v）

X（mm）

V（v）

X（mm）

V（v）

X（mm）

V（v）

图表1铝片位移-电压实验曲线

（1mm-3mm）

表格3铁片位移-电压曲线

x（mm）

v（v）

x（mm）

v（v）

图表3铁片位移-电压线性拟合（1mm-3mm）

图表4铁片位移-电压曲线

被测体面积大小对电涡流传感器的特性影响实验

1.1实验目的：

1.2了解电涡流传感器在实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。

1.3基本原理：

1.4电涡流传感器在实际应用中，由于被测体的形状，大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产

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