自动化检测技术与装置实验指导书.docx
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自动化检测技术与装置实验指导书
实验目录
实验一金属箔式应变片——单臂性能实验
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
实验四金属箔式应变片——电子秤实验
实验五差动变压器的性能测定
实验六电容式传感器的位移特性实验
实验七直流激励时霍尔传感器位移特性实验
实验八热敏电阻的特性研究
实验九光电二极管和光敏电阻的特性研究
附录1实验箱温度控制简要原理
附录2温度控制器使用说明
实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的:
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。
二、基本原理:
金属丝在外力作用下发生机械形变时,其电阻值会发生变化,这就是金属的电阻应变效应。
金属的电阻表达式为:
(1)当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时,将伸长
,横截面积相应减小
,电阻率因晶格变化等因素的影响而改变
,故引起电阻值变化
。
对式
(1)全微分,并用相对变化量来表示,则有:
(2)式中的
为电阻丝的轴向应变,用ε表示,常用单位
(1
=1×
)。
若径向应变为
,电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比
表示为
,因为
=2(
),则
(2)式可以写成:
(3)
式(3)为“应变效应”的表达式。
称金属电阻的灵敏系数,从式(3)可见,
受两个因素影响,一个是(1+
),它是材料的几何尺寸变化引起的,另一个是
,是材料的电阻率
随应变引起的(称“压阻效应”)。
对于金属材料而言,以前者为主,则
,对半导体,
值主要是由电阻率相对变化所决定。
实验也表明,在金属丝拉伸比例极限内,电阻相对变化与轴向应变成比例。
通常金属丝的灵敏系数
=2左右。
用应变片测量受力时,将应变片粘贴于被测对象表面上。
在外力作用下,被测对象表面产生微小机械变形时,应变片敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化。
通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化,根据(3)式,可以得到被测对象的应变值ε,而根据应力应变关系
(4)
式中σ——测试的应力;
E——材料弹性模量。
可以测得应力值σ。
通过弹性敏感元件,将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变,因此可以用应变片测量上述各量,从而做成各种应变式传感器。
电阻应变片可分为金属丝式应变片,金属箔式应变片,金属薄膜应变片。
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表(自备)。
四、实验内容与步骤:
1、应变片的安装位置如图(1-1)所示,应变式传感器已装到应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
可用万用表进行测量,R1=R2=R3=R4=350Ω。
图1-1应变式传感器安装示意图
2、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,顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置,再进行差动放大器调零,方法为:
将差放的正、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Rw3,使数显表显示为零,(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源。
(注意:
当Rw2的位置一旦确定,就不能改变。
)
3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模板左上方的R1)接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥,(R5、R6、R7模块内已接好),接好电桥调零电位器Rw1,接上桥路电源±5V,此时应将±5V地与±15V地短接(因为不共地)如图1-2所示。
检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节Rw1,使数显表显示为零。
4、在砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,以后每次增加一个砝码并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1-1,关闭电源。
图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图
表1-1单臂电桥输出电压与所加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
5、根据表1-1计算系统灵敏度
(
输出电压的变化量,
重量变化量)和非线性误差δf1=Δm/yFS×100%式中
(多次测量时为平均值)为输出值与拟合直线的最大偏差:
yFS满量程输出平均值,此处为200g.
五、实验注意事项:
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V,否则可能烧毁应变片。
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。
七、实验报告要求:
1、记录实验数据,并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。
2、从理论上分析产生非线性误差的原因。
实验二金属箔式应变片——半桥性能实验
一、实验目的:
1、了解半桥的工作原理。
2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。
二、基本原理:
把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=EGε/2。
式中E为电桥供电电压。
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤:
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,进行差动放大器调零,方法为:
将差放的正、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Rw3,使数显表显示为零,(数显表的切换开关打到2V档)。
关闭主控箱电源。
2、根据图2-1接线。
R1、R2为实验模板左上方的应变片,注意R2应和R1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。
接入桥路电源±5V,调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零,重复实验一中的步骤4、5,将实验数据记入表2-1,计算灵敏度
,非线性误差
。
若实验时显示数值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。
则应更换应变片。
图2-1应变式传感器半桥实验接线图
表2-1半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mV)
五、实验注意事项:
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V,否则可能烧毁应变片。
五、思考题:
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。
2、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。
七、实验报告要求:
1、记录实验数据,并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。
2、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍,而且非线性误差也得到改善。
实验三金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的:
了解全桥测量电路的原理及优点。
二、基本原理:
全桥测量电路中,将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边,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明显改善。
三、需用器件和单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤:
1、根据3-1接线,实验方法与实验二相同。
将实验结果填入表3-1;进行灵敏度和非线性误差计算。
表3-1全桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mV)
图3-1应变式传感器全桥实验接线图
五、实验注意事项:
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V。
六、思考题:
1、全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)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。
2、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,如何利用这四片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻。
图3-2应变式传感器受拉时传感器周面展开图
七、实验报告要求:
1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。
2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,并从理论上加以分析比较,得出相应的结论。
实验四直流全桥的应用——电子秤实验
一、实验目的:
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理:
电子秤实验原理为实验三,利用全桥测量原理,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)即成为一台原始的电子秤。
三、需用器件和单元:
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。
四、实验内容与步骤:
1、按实验一中2的步骤,将差动放大器调零,按图3-1全桥接线,合上主控箱电源开关,调节电桥平衡电位器Rw1,使数显表显示0.000V(2V档)。
2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器Rw2(增益即满量程调节)使数显表显示为0.200V或—0.200V。
3、拿去托盘上的所有砝码,调节电位器Rw1(零位调节)使数显表显示为0.000V。
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改为重量量纲g,就可以称重,成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上,填入下表4-1。
表4-1电桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
1、根据上表,计算误差与非线性误差。
五、实验注意事项:
1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容易损坏传感器。
2、电桥的电压为±5V,绝不可错接成±15V。
六、实验报告要求:
1、记录实验数据,绘制传感器的特性曲线。
2、分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大,怎么消除,若要增加输出灵敏度,应采取哪些措施。
实验六电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的:
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:
利用平板电容C=εS/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、S、d中三个参数中,保持两个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(ε变)测微小位移(变d)和测量液位(变S)等多种电容传感器。
变面积型电容传感器中,平板结构对极距特别敏感,测量精度受到影响,而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小,且理论上具有很好的线性关系,(但实际由于边缘效应的影响,会引起极板间的电场分布不均,导致非线性问题仍然存在,且灵敏度下降,但比变极距型好得多。
)成为实际中最常用的结构,其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为:
(1)
式中
——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;
——外圆筒内半径和内圆柱外半径。
当两圆筒相对移动
时,电容变化量
为
(2)
于是,可得其静态灵敏度为:
(3)
可见灵敏度与
有关,
越接近,灵敏度越高,虽然内外极筒原始覆盖长度
与灵敏度无关,但
不可太小,否则边缘效应将影响到传感器的线性。
本实验为变面积式电容传感器,采用差动式圆柱形结构,因此可以很好的消除极距变化对测量精度的影响,并且可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。
三、需用器件与单元:
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤:
1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上,将传感器引线插头插入实验模板的插座中。
2、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元Vi相接(插入主控箱Vi孔)Rw调节到中间位置。
3、接入±15V电源,旋动测微头改变电容传感器动极板的位置,每隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表8-1。
表8-1电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
V(mv)
4、根据表8-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差
。
五、实验注意事项:
1、传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。
2、做实验时,不要接触传感器,否则将会使线性变差。
图8-1电容传感器位移实验接线图
六、思考题:
1、简述什么是传感器的边缘效应,它会对传感器的性能带来哪些不利影响。
2、电容式传感器和电感式传感器相比,有哪些优缺点?
七、实验报告要求:
1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线,并利用最小二乘法做出拟合直线,计算该传感器得非线性误差。
2、根据实验结果,分析引起这些非线性得原因,并说明怎样提高传感器得线性度。
实验七直流激励时霍尔传感器位移特性实验
一、实验目的:
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理:
金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。
具有这种效应的元件成为霍尔元件,根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,当保持霍尔元件的控制电流恒定,而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动,则输出的霍尔电动势为
,式中k—位移传感器的灵敏度。
这样它就可以用来测量位移。
霍尔电动势的极性表示了元件的方向。
磁场梯度越大,灵敏度越高;磁场梯度越均匀,输出线性度就越好。
三、需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V直流电源、测微头、数显单元。
四、实验步骤:
1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上,将传感器引线插头插入实验模板的插座中,实验板的连接线按图9-1进行。
1、3为电源±5V,2、4为输出。
2、开启电源,调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。
图9-1直流激励时霍尔传感器位移实验接线图
3、测微头往轴向方向推进,每转动0.2mm记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表9-1。
表9-1
X(mm)
V(mv)
作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
五、实验注意事项:
1、对传感器要轻拿轻放,绝不可掉到地上。
2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V,否则将可能烧毁霍尔元件。
六、思考题:
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化?
七、实验报告要求:
1、整理实验数据,根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。
2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种,各自的产生原因是什么,应怎样进行补偿。
..