试验一金属箔式应变片性能单臂电桥.docx
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试验一金属箔式应变片性能单臂电桥
目录
CSY传感器实验仪简介1
实验一金属应变片传感器4
实验二电容式传感器、压电式传感器实验7
实验三热电偶、热电阻、PN温度传感器实验10
实验四电感式、磁电式传感器实验16
实验五光纤位移式传感器实验27
实验六气敏、湿敏传感器实验31
CSY传感器实验仪简介
实验仪主要由四部分组成：
传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。
传感器安装台部分：
装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，
显示及激励源部分：
电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V－±10V档位调节）、F／V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V不可调稳压电源。
实验主面板上传感器符号单元：
所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。
处理电路单元：
电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
主要技术参数、性能及说明
<一>传感器安装台部分：
双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。
应变梁：
应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。
传感器：
1、差动变压器
量程:
≥5mm直流电阻：
5Ω－10Ω由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体.
2、电涡流位移传感器
量程:
≥1mm直流电阻：
1Ω－2Ω多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
3、霍尔式传感器
量程:
±≥2mm直流电阻：
激励源端口：
800Ω－1.5KΩ输出端口：
300Ω－500Ω
日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。
4、热电偶
直流电阻：
10Ω左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。
5、电容式传感器
量程：
±≥2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。
6、热敏电阻
由半导体热敏电阻NTC：
温度系数为负，25℃时为10KΩ。
7、光纤传感器
由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。
红外线发射、接收、直流电阻：
500Ω－1.5kΩ2×60股丫形、半圆分布。
8、压阻式压力传感器
量程：
10Kpa（差压）供电：
≤6V直流电阻：
Vs+---Vs-：
350Ω－450ΩVo+---Vo-：
3KΩ－3.5KΩ
美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。
9、压电加速度计
PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。
谐振频率：
≥10KHZ，电荷灵敏度：
q≥20pc/g。
10、应变式传感器
箔式应变片阻值：
350Ω、应变系数：
2
11、PN结温度传感器：
利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。
灵敏度：
-2.1mV/℃。
12、磁电式传感器
0.21×1000直流电阻：
30Ω－40Ω由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：
0.5v/m/s
13、气敏传感器
MQ3：
酒精：
测量范围：
50－2000ppm。
14、湿敏电阻
高分子薄膜电阻型：
RH：
几兆Ω－几KΩ响应时间：
吸湿、脱湿小于10秒。
湿度系数：
0.5RH%/℃测量范围：
10％－95％工作温度：
0℃－50℃
〈二〉、信号及变换：
1、电桥：
用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。
2、差动放大器通频带0～10kHz可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。
3、电容变换器由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。
4、电压放大器增益约为5倍同相输入通频带0~10KHz
5、移相器允许最大输入电压10Vp-p移相范围≥±20º（5kHz时）
6、相敏检波器可检波电压频率0－10kHz允许最大输入电压10Vp-p
极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路
7、电荷放大器电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。
8、低通滤波器由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右
9、涡流变换器输出电压≥|8|V（探头离开被测物
变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件
10、光电变换座由红外发射、接收组成。
〈三〉、二套显示仪表
数字式电压/频率表：
3位半显示，电压范围0—2V、0—20V，频率范围3Hz—2KHz、10Hz—20KHz，灵敏度≥50mV。
指针式毫伏表：
85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。
〈四〉、二种振荡器
音频振荡器：
0.4KHz—10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，180°、0°反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。
低频振荡器：
1—30Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。
〈五〉、二套悬臂梁、测微头
双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。
电加热器二组
电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30℃左右的升温。
测速电机一组
由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。
〈八〉二组稳压电稳
直流±15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。
±2V—10V分五档输出，最大输出电流1.5A。
提供直流激励源。
实验一金属应变片传感器
（1）金属箔式应变片性能—单臂电桥
实验目的：
了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。
所需单元及部件：
直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。
实验步骤：
（1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。
上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。
（2）将差动放大器调零.
（3）根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻，R4为应变片。
调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1使电桥平衡。
图１
（4）旋转测微头使得双平等梁的自由端与磁钢吸合，调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。
（5）往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。
建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm记一个数值填入表格1中：
表格1
位移（mm）
0
0.5mm
1.0mm
1.5mm
……
电压（mv）
（6）据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F／V表显示的电压相应变化）。
注意事项：
做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。
问题：
本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？
（2）金属箔式应变片：
单臂、半桥、全桥比较
实验目的：
验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。
所需单元和部件：
直流稳压电源、差动放大器、电桥、F／V表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。
实验步骤：
单臂电桥性能测试如实验一
（1）所示。
半桥测量电路中，将图1电路中R3固定电阻换为与R4应变片状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同应变片，形成半桥。
保持差动放大器增益不变，调零。
调节测微头脱离双平衡梁，调节W1使电桥平衡
重复实验一
（1）中（4）-（5）步骤，数据记录在表格2中，根据测量结果计算半桥测量电路灵敏度S＝ΔV／ΔX。
表格2
位移（mm）
0
0.5mm
1.0mm
1.5mm
……
电压（mv）
（6）全桥测量电路中，将图1电路中R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成，R2换成，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出，这样接成一个直流全桥测量电路，
（7）重复实验一
（1）中（4）-（5）步骤，数据记录在表格3中，根据测量结果计算全桥测量电路灵敏度S＝ΔV／ΔX。
表格3
位移（mm）
0
0.5mm
1.0mm
1.5mm
……
电压（mv）
（8）在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种测量电路的灵敏度。
注意事项：
（1）在更换应变片时应将电源关闭。
（2）在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。
（3）在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。
（4）直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。
（5）接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。
实验二电容式传感器、压电式传感器实验
（1）差动变面积式电容传感的静态及动态特性
实验目的：
了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。
所需单元及部件：
电容传感器、差动放大器、低通滤波器、Ｆ／V表、低频振荡器、
示波器
实验原理：
电容式传感器有多种形式，本仪器是差动平行变面积式。
传感器由两片定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上，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。
如将上层定片与动片形成的电容定为CX1，下层定片与动片形成的电容定为CX2，当将CX1，和CX2接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压量与电容量的变化有关，即于振动台的位移有关。
实验内容：
（1）静态特性测量电路如图1所示：
图1
（2）差动放大器增益旋钮首先置于最大，调零后旋钮再置于中间。
（3）F／V表打到合适档位，磁棒吸合平台2，调节测微头，使F／V表输出为零。
此刻的测微头刻度为零位的相应刻度。
（4）转动测微头,每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。
X（mm）
0
0.1mm
0.2mm
……
V（mv）
退回测微头至初始位置。
并开始以相反方向旋动。
同上法，记下X（mm）及V（mv）值。
X（mm）
0
-0.1mm
-0.2mm
……
V（mv）
（5）计算系统灵敏度Ｓ。
Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ（式中ΔＶ为电压变化，ΔＸ为相应的梁端位移变化），并作出Ｖ－Ｘ关系曲线。
（6）动态特性测量电路如图2，卸下测微头，磁棒不吸合震动台2，断开电压表，接通激振器线圈1，使平台产生震动，用示波器观察输出波形。
（7）固定低频振荡器的幅度旋钮至某一位置，调节频率，调节时用频率表监测频率，也可用示波器读出频率，用示波器读出峰峰值填入下表
F（Hz）
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
V（P-P）
注意事项：
（1）注意差动电容器上下两个静片之间绝缘；两个静片与动片之间绝缘。
（2）理想情况下，差动变容器动态特性测量示波器输出正弦波。
测量中注意去除环境周围对振动平台2的影响。
（3）如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。
（2）压电式传感器的动态响应测试
实验目的：
了解压电式传感器的原理、结构及应用。
所需单元及设备：
低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、压电传感器、双踪示波器、激振线圈、Ｆ／Ｖ表、主、副电源、振动平台。
实验步骤：
（1）观察压电式传感器的结构，传感器由PZT-5锆钛酸铅压电晶片和铜质量块构成。
根据图1的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。
并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。
图1
（2）将低频振荡信号接入振动台的激振线圈2。
（3）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，也可用示波器读出频率，用示波器读出峰峰值填入下表：
F（HZ）
5
7
12
15
17
20
25
V（p-p）
思考：
根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？
试回答压电式传感器的特点。
注意：
由于双平衡梁结构，压电加速度传感器动态响应测试中，示波器输出正弦波中波峰和波谷均发生内凹现象。
实验三热电偶、热电阻、PN温度传感器实验
（1）热电偶原理及现象
实验目的：
了解热电偶的原理及现象
所需单元及附件：
－15V不可调直流稳压电源、差动放大器、F／V表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源
旋钮初始位置：
F／V表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。
热电偶工作原理：
二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。
通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。
热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，如图（a）所示，环路电压VOUT为热结点结电压与冷结点（参考结点）结电压之差。
因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，也就是说VOUT是温差的函数。
比例因数α对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。
热电偶测温原理
图（b）所示是一种最常见的热电偶应用。
该配置中引入了第三种金属（中间金属）和两个额外的结点。
本例中，每个开路结点与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外结点，只要这两个结点温度相同，中间金属（铜）不会影响输出电压。
这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。
VOUT仍然是热结点与冷结点温差的函数，与Seebeck系数有关。
然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热结点的实际温度，冷结点温度必须是已知的。
冷结点温度为0℃（冰点）时是一种最简单的情况，如果TC=0℃，则VOUT=VH。
这种情况下，热结点测量电压是结点温度的直接转换值。
不过，在实际应用中这是难以实现的。
为此，美国国家标准局（NBS）提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表，所有数据均基于0℃冷结点温度。
利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热结点温度。
实验步骤：
（1）解热电偶在实验仪上的位置及符号，（参见附录）实验仪所配的热电偶是由铜＿康铜组成的简易热电偶，分度号为T。
实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。
（2）按图1接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使F／V表显示零，记录下自备温度计的室温。
图1
（3）将－15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察F／V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下F／V表显示的读数E。
（4）用自备的温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来。
（注意：
温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。
（5）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：
Eab（t,to）=Eab（t,tn）+Eab（tn,to）
其中：
t------热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。
tn------热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。
to------0℃
1.热端温度为t,冷端温度为室温时热电势。
Eab（t,tn）=（f/v显示表E）/100*2（100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联）。
2.热端温度为室温，冷端温度为0℃，铜－康铜的热电势：
Eab（tn,to）:
查以下所附的热电偶自由端为0℃时的热电势和温度的关系即铜－康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。
3.计算：
热端温度为t，冷端温度为0℃时的热电势，Eab（t,to）,根据计算结果，查分度表得到温度t。
（6）热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。
（注意：
本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。
（7）实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器－15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去－15V电源连接线）其它旋钮置原始位置。
思考：
（1）为什么差动放器接入热电偶后需再调差放零点？
（2）即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也了会有很大误差，为什么？
（2）热敏电阻演示实验（998型）
热敏电阻特性：
热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：
PTC热敏电阻（正温度系数）与NTC热敏电阻（负温度系数NegativeTemperatureCoefficient）。
一般NTC热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。
有些功率PTC也作为发热元件用。
PTC缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。
一般的NTC热敏电阻测温范围为：
-50℃～+300℃。
热敏电阻具有体积小、重量轻、热惯性小、工作寿命长、价格便宜，并且本身阻值大，不需考虑引线长度带来的误差，适用于远距离传输等优点。
但热敏电阻也有：
非线性大、稳定性差、有老化现象、误差较大、一致性差等缺点。
一般只适用于低精度的温度测量。
NTC热敏电阻器是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。
这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。
温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。
NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。
NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。
实验原理
热敏电阻
测量温度一般使用的温度计，除了常用的水银或酒精制成的温度计外，还有用其他材料制成的温度计。
如热电偶、光测高温计、定容气体温度计等。
热敏电阻温度计也是一种常用的测温仪器，它是利用半导体制成感温元件，它的电阻称为热敏电阻。
其阻值随温度升高而减小，具有负的温度系数。
电阻变化的范围比一般具有正温度系数的金属电阻大。
例如，当温度变化1℃时，热敏电阻的阻值变化范围可达3%—6%。
而且阻值可以很大，体积可以很小，灵敏度高，热惯性小，价格又低，这些特点使它在生产与科研中有了广泛的应用。
热敏电阻的阻值与温度的关系是一条曲线，如上图所示。
如用公式表示，近似为：
式中
为某一绝对温度
时的电阻值，
为绝对温度T时的电阻值，B为制成该热敏电阻的材料常数；e为自然对数的底。
热敏电阻的主要参数如下：
（1） 标准阻值
是指25
C时的电阻值，又称冷电阻
（2） 温度系数
，是指当热敏电阻的温度改变
时电阻变化的相对值。
值也是温度的函数。
通常是指
时的温度系数。
（3） 时间常数J，是指将温度为
时的热敏电阻放在温度为
的介质中，其阻值减少量达到
的63%所需的时间。
式中
是
时的阻值，
是100
时的阻值。
时间常数用来说明热敏电阻的热惯性，由于各种热敏电阻的材料与体积不同，其时间常数也不同，体积愈大，
愈小，一般为10
秒
秒。
实验目的：
了解NTC热敏电阻现象。
所需单元及部件：
加热器、热敏电阻、可调直流稳压电源、－15V稳压电源、F／V表、主副电源。
实验步骤：
（1）了解热敏电阻在实验仪的所在位置及符号，它是一个兰色或棕色元件，封装在双平行振动梁上片梁的表面。
（2）将F／V表切换开关置2V档，直流稳压电源切换开关置±2V档（VS），按图３接线，开启主．副电源，调整W1（RD）电位器，使F／V表指示为100mV左右。
这时为室温时的Vi。
图3
（3）将-15V电源接入加热器，观察电压表的读数变化，电压表的输入电压：
（4）由此可见，当温度时，RT阻值，Vi。
思考题：
如果你手上有这样一个热敏电阻，想把它作为一个0～50℃的温度测量电路，你认为该怎样来实现？
（3）PN结温度传感器测温实验
基本原理
晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。
例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时，下降约2.1mV，利用这种特性可做成各种各样的PN结温度传感器。
它具有线性好、时间常数小（0.2～2秒），灵敏度高等优点，测温范围为-50℃～+150℃。
其不足之处是离散性大互换性较差。
实验目的：
了解PN结温度传感器的特性及工作情况。
所需单元：
主、副电源、可调直流稳压电源、－15V稳压电源、差动放大器、电压放大器、F/V表、加热器、电桥、水银温度计（自备）。
旋钮初始位置：
直流稳压电源±6V档，差放增益最小逆时针到底（1倍），电压放大器幅度最大4.5倍。
实验步骤：
（1）了解PN结，加热器，电桥在实验仪所在的位置及它们的符号。
（2）观察PN结传感器结构、用数字万用表“二级管”档，测量PN结正反向的结电压，得出其结果。
（3）把直流稳压电源V+插口用所配的专用电阻线（51K）与PN结传感器的正端相连，并按图2接好放大电路，注意各旋钮的初始位置，电压表置2V档。
图2
（4）开启主、副电源，调节RD（W1）电位器，使电压表指示为零，同时记下此时水银温度计的室温值（Δt）。
（5）将-15V接入加热器（－15V在低频振荡器右下角），观察电压表读数的变化，因PN结温度传感器的温度变化灵敏度约为：
-2.1mV/℃。
随着温度的升高，其PN结电压将下降ΔV，该ΔV电压经差动放大器隔离传递（增益为1），至电压放大器放大4.5倍，此时的系统灵敏度S≈10mV/℃。
待电压表读数稳定后，即可利用这一结果，将电压值转换成温度值，从而演示出加热器在PN结温度传感器处产生的温度值（ΔT）。
此时该点的温度为ΔT+Δt。
注意事项：
（1）该实验仅作为一个演示性实验。
（2）加热器不要长时间的接入电源，此实验完成后应立即将-15V电源拆去，以免影响梁上的应变片性能。
问题；
（1）分析一下该测温电路的误差来源。
（2）如要将其作为一个0～100℃的较理想的测温电路，你认为还必须具
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