热工测试技术实验指导书课件资料.docx
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热工测试技术实验指导书课件资料
测试技术
实
验
指
导
书
实验一.各种传感器的性能测试及标定
1.金属泊式应片：
直流单臂、半桥、全桥比较
实验目的：
验证单臂、半桥、全桥的性能，比较它们的测量结果。
实验所需单元：
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V（频率/电压）表。
实验注意事项：
（1）电桥上端虚线所示的四个电阻实际并不存在。
（2）在更换应变片时应关闭电源。
（3）实验过程中如发现电压表过载，应将量程扩大。
（4）接入全桥时，请注意区别各应变片的工作状态，桥路原则是：
对臂同性，邻臂异性。
（5）直流电源不可随意加大，以免损坏应变片。
实验步骤：
（1）直流电源旋在±2V档。
F/V表置于2V，差动放大器增益打到最大。
（2）观察梁上的应变片，转动测微头，使梁处于水平位置（目测），接通总电源及副电源。
放大器增益旋至最大。
（3）差动放大器调零，方法是用导线将放大器正负输入端与地连接起来，输出端接至F/V表输入端，调整差动放大器上的调零旋钮，使表头指示为零。
（4）根据图1的电路，利用电桥单元上的接线和调零网络连接好测量电路。
图中r及w1为调平衡网络，先将R4设置为工作片。
（5）直流电源打到±4V，调整电桥平衡电位器使电压表为零（电桥调零）。
（6）测微头调整在整刻度（0mm）位置，开始读取数据。
图1应变片直流电桥电路
（7）上下旋动测微头，每移动1mm（两圈）读取一个数值，并将测得的数据填入下表：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
V（mv）
（8）保持差动放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一个应变片，形成半桥电路，调好初始值与零点，填入下表：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
V（mv）
（9）保持差动放大器增益不变，将R1、R2两个电阻换成另外两个应变片，接成一个直流全桥，并重新回到初始位置调整零点。
测出位移后的电压值填入下表：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
X（mm）
V（mv）
（10）观察正反行程的测量结果，解释输入输出曲线不重合的原因。
（11）在同一坐标上描绘出X—V曲线，比较三种接法的灵敏度。
思考题
1．根据X—V曲线，计算三种接法的灵敏度K=∆V/∆X，说明灵敏度与哪些因素有关？
2．根据X—V曲线，描述应变片的线性度好坏。
3．如果相对应变片的电阻相差很大会造成什么结果，应采取怎样的措施和方法？
4．如果连接全桥时应变片的方向接反会是什么结果，为什么？
2.霍尔式传感器、霍尔传感器的直流激励特性实验
霍尔元件的结构中，矩型薄片状的立方体称为基片，在它的两侧各装有一对电极。
一个电极用以加激励电压或激励电流，故称为激励电极。
另一个电极作为霍尔电势的输出，故称霍尔电极。
在实际应用中，当磁场强度H（或磁感应强度B）和激励电流I中的一个量为常量，而另一个作为输入时，则输出霍尔电势Uh（或B）或I。
当输入量是H（或B）或I时，则输出霍尔电势Uh正比于H（或B）与I的乘积。
实验装置采用的磁路系统图2（a）所示，由于两对极性相反的磁极的共同作用，在磁极间形成一个梯度磁场。
理想特性如图2（b）所示磁感应强度B是位移x的函数，既B=f（x）。
调整霍尔元件处于图示中心位置时，由于该处磁场作用抵消B=0，所以霍尔元件上下运动时霍尔电势大小和符号也会跟随变化，并且有Uh=f（x）。
因此，若用一标准磁场或已知特性磁场的磁路系统来校准霍尔元件的输出电势时可采用测量磁场强度的方法。
图2 实验仪器的霍尔元件磁路系统和特性
实验目的：
了解霍尔传感器的基本原理与特性
实验所用单元：
霍尔传感器、电桥、差动放大器、直流电源、F/V电压表。
实验注意事项：
（1） 霍尔元件上所加电压不得超过±2V，以免损坏霍尔晴，辨别霍尔片的输入端。
（2） 一旦调整好测量系统，测量时不能移动磁路系统。
实验步骤：
（1） 差动放大器增益旋至最小，F/V电压表量程置2V档，直流稳压电源放在2V档。
（2） 开启电源，差动放大器调零。
（3） 按图3接好电路，调整平衡网络w1，使电压指示为零。
（4） 旋动测微头，每0.2mm读一个数，记下电压表的输出电压值，并将结果填入下表：
X（mm）
V（v）
X（mm）
V（v）
（5） 根据测量结果作出V—X曲线，指出线性范围。
求出灵敏度K=△V/△X
图3 霍尔传感器直流特性测试
思考题
（1）本实验测出的实际上是磁场的分布情况，它的线性好坏是否影响位移测量的线性度好坏
4.电涡流式传感器实验
一、实验目的
1、了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。
2、了解电涡流传感器的实际应用——电子秤
二、所需单元和部件
涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、差动放大器、示波器、振动平台、砝码、电桥、主、副电源
三、实验原理
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，电涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高等特点，应用极其广泛。
探头、（延伸电缆）、前置器以及被测体构成基本工作系统。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。
如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。
通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。
则线圈特征阻抗可用Z=F（τ,ξ,б,D,I,ω）函数来表示。
通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。
于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。
输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
四、实验步骤
1、静态标定
（1）装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。
（2）观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。
（3）用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至F/V表，电压表置于20V档，开启主、副电源。
（4）用示波器观察涡流变换器的输入端的波形。
（如果没有振荡波形出现，再将传感器远离被测体），示波器所选通道置于2V档。
由此可见，波形为_________波形，示波器的时基为__________
故振荡频率约为_________________。
（5）调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始每隔0.25mm读数，直到线形严重变坏为止，记录测微头的读数x和相应的涡流变换器输出电压U（注意：
x是测微头的直接读数，可看成金属涡流片的位置坐标，不必从0开始），填入下表，并根据实验数据在坐标纸上画出V-X曲线，指出大致的线形范围，求出系统灵敏度。
实验完毕关闭主副电源。
X（mm）
Vp-p（v）
V（v）
2、电子秤
实验步骤
（1）首先将电压表置于20V档，差动放大器增益旋至最小，直流稳压电源
档，按照下图电路连线
图二
（2）根据上面静态标定的实验结果，调整传感器的位置，使其处于线性范围的始点距离附近处（与被测体之间的距离为线性始端处附近，目测）。
（3）开启主、副电源，调整电桥单元上的电位器W1，使电压表为零。
（4）在平台上放上砝码，读出表头指示值，填入下表：
W（g）
V（v）
（5）在平台上放一重物，如（手机等）记下电压表读数，根据实验数据作出V-W曲线，计算灵敏度及重物重量。
五、实验注意事项
（1）被策体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体中间，以减少涡流损失。
（2）电涡流式传感器初始时可能有一段死区，要注意必须仔细测量。
（3）实验过程中差动放大器的增益适当，视指示而定。
（4）砝码、重物的重量不得使位移超出线性范围。
六、思考题
1.电涡流传感器是把什么物理量转换为什么物理量的装置？
实验二压力表的校验
（一）实验内容、要求：
1、活塞式压力计的工作原理、结构；
（二）实验目的、意义：
1、了解活塞式压力计的使用方法。
（三）试验设备、仪器：
1、活塞式压力校验台
2、压力表
（四）标定步骤
1• 把标准表安装在校验器的左边，被校表安装在校验器的右边。
2• 先检查仪表的零点，合格后再作线性刻度标定。
一般选择25％，50％，75％刻度和零点共四点进行校验。
仪表进行标定时，标定点应至少5点，并要求均匀地分布在整个刻度范围内。
对于0.5级以上的仪表，应在全刻度范围内均匀分布十个点进行均匀；
3• 用手摇加压泵逐渐加压，使标准仪表上的指示值逐渐上升到所需数值，读取被标定仪表上的指示值。
误差计算时应取最大值。
校验过程中应注意被校仪表有无跳动，若发现问题应及时修正。
五实验报告
记录并整理参数：
标准压力表：
量程（）；标尺刻度（）；准确度（）；
被标定压力表：
量程（）；标尺刻度（）；准确度（）。
读数位置
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
标准压力表（MPa）
被标定压力表（MPa）
绝对误差（MPa）
相对误差（%）
六思考
1• 若压力表的校验器排气不净，则会对校验过程产生什么影响？
2• 为什么在加压时（或减压时），必须把加压手轮平稳地缓慢转动，否则会产生什么结果？
3• 当压力表的压力读数逐渐提高到被测压力表的刻度的上限时应注意什么？
实验三热电偶校验实验
在实验室、工矿企业、科研试验的测量中，热电偶在安装使用前必须进行校验，
使用后也要定期核验。
一、实验目的
1、学习校验热电偶的方法。
2、正确掌握检测热电偶的外观。
3、学会常用热电偶分度表的使用。
二、实验设备
实验设备如图2所示：
由高温电阻炉，智能温度控制仪，交流供电调压器，UJ33。
电位差计，镍铬一镍硅标准热电偶等组成。
图2实验装置图
1一调压变压器：
2一电阻炉：
3一温度指示调节仪：
4一切换开关；5一标准热电偶；
6一被校热电偶：
7一电位差计：
8一冰槽
三、热电偶校验
（1）热电偶校验前必须进行外观检查、检查焊接点是否光滑、牢同、热电极是否变脆、变色、发黑，严重腐蚀等。
常用热电偶校验点温度表1
（2）热电偶校验采用比较法。
可按表1中所列温度进行校验。
本实验的被校热电偶为铜一康铜热电偶。
用被校热电偶在0—300℃温度区间与标准镍铬一镍硅热电偶相比较，用电位差计测出热电偶的热电势，计算所得误差。
（3）校验时将热电偶的热端插入炉内150～300mm，该范围内温度均匀，一般读数时要求温度稳定（温度变化小于0．2℃／min），电位差计为0．05级以上。
将标准热电偶与被校热电偶的热端用金属丝绑扎在一起（也可不绑扎）；插孔用绝热材料（石棉布）堵严保温（使用小孔时可不堵）。
各热电偶的冷端置于冰点槽8中以保持0℃。
（4）按电位筹计使用说明将各导线接入系统后，首先使“K2”在中间位置，旋转“调零”旋钮使检流计回零。
转换开关拨向接通标准电池的“标准”位置，调节变阻使检流计回零。
（5）将“K2”拨向“未知”位置，通过手动调节，依次转动电位差计盘上的三个旋钮，使检流计回零，读出热电势的值。
（6）依次改变管式电炉的温度设定值，比较两个热电偶确定误差，要求各校验点的温度误差都不得超过表2中所规定的允许值。
工业用热电偶的允许误差范围表2
四、注意事项：
1、l、2、3、4测点为同1个冷端。
镍铬一镍硅为标准热电偶；冷热端各1支、带红色胶管那支为冷端。
2、待测热电偶铜一康铜3支，其中1支接冷端。
3、待测镍铬一镍硅热电偶1支（
5）不设冷端。
五、实验报告内容：
列表给出热电偶的标定结果，并绘制曲线。
低压直流电位差计的使用
Ⅲ-3.电位差计测量电动势（或电压）的原理是根据补偿原理设计而成的，其原理如图Ⅲ-1所示，当开关K置于N端时，外电源电路向RN提供工作电流I（I的大小是通过调节限流电阻r而改变的），当标准精密电阻RN通以适当的工作电流I0并满足EN=I0×RN时（补偿回路中的电流计示零），此时，我们说用RN两端电压I0×RN补偿了EN，且I0称为用标准电池按当时室温修正了的电动势值EN校准了的工作电流。
当保持这一校准工作电流I0不变时，将K置于“X”位置，调节R，使R在补偿回路中的电阻部分R’的电压满足：
I0·R’=Ex（补偿回路中的电流计示零），此时，我们说，用R’两端的电压I0·R’补偿了待测电源电动势（或电压）Ex,这就是电位差计测量电动势（或电压）的测量原理。
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