电气测量实验指导.docx

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电气测量实验指导

电气测量与检测技术

实验指导

电气工程及自动化学院

2015.4

实验教学进度表

周次

星期

节次

实验名称

学时数

实验目的和要求

实验类型

11

一

第二大节

实验一：

2.4

电容式传感器位移测量实验

2

1、掌握电容式传感器测试电路连接方法、工作原理；

2、掌握电容式传感器测试位移的方法。

五

第一大节

实验二：

2.1、2.3

电阻式传感器电桥性能实验

2

1、了解金属箔式电阻应变片的应变效应；

2、观察金属箔式电阻应变片的结构及粘贴方式；

3、掌握单臂、全桥工作原理和性能测试方法。

12

一

第二大节

实验三：

2.5

霍尔式传感器直流激励位移实验

2

1、了解霍尔式传感器的工作原理；

2、掌握霍尔式传感器直流激励特性测试方法。

五

第一大节

实验四：

2.6

电涡流传感器位移实验

2

1、了解电涡流传感器结构及其特点；

2、掌握电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

第1章传感信号检测与转换实验箱

说明书

1.1实验箱的组成

系统硬件主要由三部分构成：

电源模块、传感信号检测转换调理模块、传感信号数字处理模块。

三个模块各自分立，相互间通过信号线连接。

1.2系统电源模块

系统电源模块具体由传感信号检测转换调理模块供电电路和传感信号数字处理模块供电电路两部分构成。

工作原理为交流变直流。

为确保系统用电安全和模拟电路与数字电路两区域的完全的电气隔离，提高系统电路本身的抗电气干扰性能，采用了双绕组输出的单相隔离变压器。

模拟电路模块供电直流稳压电源：

±15V，±5V。

数字电路模块供电直流稳压电源；+5V，+3.3V

1.3传感信号检测转换调理模块

传感信号检测转换调理模块电气部分具体包括：

霍尔传感器实验模板、电容传感器实验模板、温度传感器实验模板、电涡流传感器实验模板、应变片实验模板、以及三种不同性能与功能信号调理电路模板。

具体布局见图1.1所示。

图1.1传感信号检测转换调理模块布局图

1.3.1应变片实验模板

应变片式传感器实验模板如图1.3.1所示。

图1.3.1应变片式传感器实验模板

实验模板中的R1、R2、R3、R4为金属箔式电阻应变片，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，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。

具体包括：

应变片式单臂电桥连接电路、应变片式半桥连接电路、应变片式全桥连接电路。

图中的实线表示电路连接线。

本实验系统中4片金属箔式电阻应变片已安装在平行式悬臂梁上，如图1.3.1所示。

左上角应变片为R1；右上角为R4；左下角为R2；右下角为R3。

当传感器托盘支点受压时，R1、R4阻值增加，R2、R3阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。

常态时应变片阻值为350Ω。

加热电阻也已安装在悬臂梁下面，加热丝电阻值为50Ω左右。

此4片应变片已连接在应变片式传感器实验模板上方的R1、R2、R3、R4上。

图1.3.1金属箔式电阻应变片安装示意图

1.3.2电容传感器实验模板

电容传感器实验模板如图1.3.2所示。

电路由三部分构成：

555多谐振荡电路、环形二极管充放电法测量电容电路、L型高低通滤波电路。

电路后续输出端VO1接一级差动放大电路。

图1.3.2电容传感器实验模板

（1）环形二极管充放电法测量电容电路工作原理

本实验系统中的电容传感器测量电路选用环形二极管充放电法测量电容电路。

工作原理图如图1.3.3所示。

555时基芯片构成多谐振荡电路，作为环形二极管充放电法测量电容电路的脉冲激励源。

C3与L1构成无源L型高通滤波器；L2与C5构成无源L型低通滤波器。

图1.3.3环形二极管充放电法测量电容电路工作原理示意图

环形二极管充放电法测量电容电路工作原理：

e为正半周时，方波由E1跃变到E2时，电容Cx1和CX2两端的电压皆由E1充电到E2。

对电容Cx1充电的电流i1，对CX2充电的电流i3.。

VD2、VD4一直处于截止状态。

在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为q1=CX2（E2-E1）；。

e为负半周时，方波由E2返回到E1时，Cx1、CX2放电，它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流i2、i4。

在放电过程中（T2时间内），VD1、VD3截止。

在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx1（E2-E1）。

流过A、C支路的瞬时电流的平均值I为：

ΔE为方波的幅值，ΔE=E2-E1。

I正比于ΔCx。

（2）电容传感器结构原理

本实验系统的电容传感器可以测量0~±2.5mm的距离，传感器由两组定片和一组动片组成。

结构示意图如图1.3.4所示：

当动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。

将上层定片与动片形成的电容定位Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当Cx1和Cx2接入桥路作为相邻臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与动片的位移有关。

图1.3.4圆筒式变面积差动结构电容传感器结构示意图

（3）测微头的组成和读数方法

电容传感器测试位移实验需要正确安装与使用测微头。

测微头的结构组成和读数方法如图1.3.5所示：

图1.3.5测微头结构组成与读数方法示意图

测微头组成：

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。

测微头读数与使用：

测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），另一排是半毫米刻线（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。

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1.3.5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，应看微分筒的示值是否过零，如图1.3.5乙已过零则读２.５１４ｍｍ；如图1.3.5丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。

测微头使用：

测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。

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。

1.3.3霍尔传感器实验模板

霍尔传感器实验模板如图1.3.6所示。

图1.3.6霍尔传感器实验模板

本实验系统中霍尔传感器安装位置与方法如图1.3.7所示：

图1.3.7霍尔传感器安装示意图

霍尔传感器是利用霍尔效应，把相关测试量转换为电动势的变化。

霍尔效应把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍尔元件或霍尔片。

霍尔效应原理示意图如图1.3.8所示。

图1.3.8霍尔效应原理示意图

一块N型半导体，长为l，宽为b，厚度为h的，在半导体长度方向通以电流I，将其置于的磁感应强度为B的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作用，根据物理学知识:

式中q0—电子的电荷量；v—半导体中电子的运动速度；B—磁场的磁感应强度

FL方向如图1.3.8所示。

在力FL的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内场EH,即霍尔电场。

此时霍尔电场EH两端之间的电位差UH霍尔电势）为：

霍尔常数RH：

霍尔元件灵敏度（灵敏系数）KH：

所以霍尔电势与磁感应强度B和激励电流I成正比，与霍尔片厚度长反比。

因而在实际应用中为了提高灵敏系数，霍尔元件常常制成薄片形状。

霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成，如图1.3.9（a）所示。

霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。

引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。

其等效电路和电路符号如图1.3.9（b）所示。

霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。

图1.3.9霍尔元件结构外形、图形符号、基本测量电路示意图

1.3.4信号调理电路模板

本实验系统信号调理电路模板由三种类型电路、三个模块构成：

（1）三运放高共模抑制比放大电路，也称为仪表放大器（精密放大器），如图1.3.16（a）所示。

反向比例放大电路的作用主要是用于放大电路的输出调零。

RW9为增益调节电位。

RW10为调零电位器。

（2）差分比例运算电路：

可把差动传感信号转换为单一的放大的电压信号输出。

可有效地抑制共模干扰电压的影响。

如图1.3.16（b）所示。

（3）模拟信号幅值衰减处理模块：

如图1.3.16（c）所示。

此电路模块的主要作用是把幅值在±14之间的模拟传感器信号衰减变换为0~2.5V的信号范围，然后再提供给数字信号处理模块的信号输入端子，以进行传感信号的数字化显示处理。

（a）

（b）（c）

图1.3.16信号调理电路模板

第2章基础型实验项目

2.1电阻应变片式传感器单桥性能实验

2.1.1实验目的

1、了解金属箔式电阻应变片的应变效应；

2、观察金属箔式电阻应变片的结构及粘贴方式；

3、掌握单桥工作原理和性能测试方法。

2.1.2实验原理

电阻应变效应：

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。

描述电阻应变效应的关系式为：

ΔR／R＝Kε式中：

ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。

金属箔式电阻应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，电桥的作用是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。

当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4。

对单桥输出电压近似值Uo1=EKε/4。

单桥、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。

如图2.1所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单桥，其输出电压：

Uo=（2.1.1）

E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式2.1表明单桥输出为非线性，非线性误差为δ=。

图2.1.1单桥测试连接电路原理示意图

2.1.3实验设备与元器件

电阻应变式传感器实验摸板、电阻应变式传感器、信号调理电路模板、托盘、砝码、4位数显万用表

2.1.4实验内容与步骤：

1、按照图2.1.1所示直流单桥测试连接电路原理示意图进行电路接线。

接线示意图如图2.1.2所示。

图2.1.2单桥测试电路连接示意图

2、放大器输出调零：

将图2.1.2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）；调节仪表放大器的增益电位器RW9大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；电压表的量