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。

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