试验一金属箔式应变性能应变电桥.docx

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试验一金属箔式应变性能应变电桥

实验1金属箔式应变计性能——应变电桥

实验目的：

1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。

2、测试应变梁变形的应变输出。

3、比较各桥路间的输出关系。

实验原理：

本实验说明箔式应变片及直流电桥的原理和工作情况。

应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。

通过测量电路，转换成电信号输出显示。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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，当使用一个应变片时，

；当二个应变片组成差动状态工作，则有

；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，

。

实验所需部件：

直流稳压电源+4V、公共电路模块

（一）{公共电路模块}、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表

实验步骤：

1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。

输出端接电压表2V档。

开启主机电源，用调零电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。

（图1）

2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图

（1）将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。

将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。

3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。

调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。

4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：

位移mm

电压V

根据表中所测数据在坐标图上做出V—X曲线，计算灵敏度S：

S=

。

注意事项：

1、实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。

2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。

3、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。

4、因为是小信号测试，所以调零后电压表应置2V档，用计算机数据采集时应选用200mv量程。

实验2金属箔式应变计三种桥路性能比较

实验原理：

已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为△R/R、△2R/R、4△R/R。

根据戴维南定理可以得出测试电桥近似等于

·E·∑·∑R，电桥灵敏度Ku=V/△R/R，于是对于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。

由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

实验所需部件：

直流稳压电源（+4V）、公共电路模块{应变式传感器实验模块}、箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表。

实验步骤：

1、在完成实验一的基础上，依次将图

（1）中的固定电阻R1，换接应变计组成半桥、将固定电阻R2、R3，换接应变计组成全桥。

2、重复实验一中实验3-4步骤，完成半桥与全桥测试实验。

3、在同一坐标上描出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。

注意事项：

应变计接入桥路时，要注意应变计的受力方向，一定要接成差动形式，即邻臂受力方向相反，对臂受力方向相同，如接反则电路无输出或输出很小。

实验3温度传感器—热电偶测温实验

实验原理：

由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。

（图10）

图（10）中T为热端，To为冷端，热电势Et=

本实验中选用两种热电偶镍铬—镍硅（K）和镍铬—铜镍（E）。

实验所需部件：

K、E分度热电偶、温控电加热炉、{温度传感器实验模块}、

位数字电压表（自备）

实验步骤：

1、观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。

温控器：

作为热源的温度指示、控制、定温之用。

温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。

温度设定：

拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需的温度时停止。

然后将拨动开关扳向“测量”侧，（注：

首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。

2、首先将温度设定在50℃左右，打开加热开关，{加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座}，热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，

位万用表置200mv档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度热电偶的热电势，并记录电炉温度与热电势E的关系。

3、因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正

E（T，To）=E（T,t1）+E（T1,T0）

实际电动势＝测量所得电势＋温度修正电势

查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。

4、继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃和130℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能。

注意事项：

加热炉温度请勿超过150℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。

因为温控仪表为E分度，所以当钮子开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度。

实验4温度传感器——铂热电阻

实验原理：

铂热电阻测温范围一般为-200~650℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）

式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值

RO——铂热电阻在0℃时的电阻值

A——系数（=3.96847×10-31/℃）

B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）

将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。

实验所需部件：

铂热电阻（Pt100）、加热炉、温控器、温度传感器实验模块

（一）、{温度传感器实验模块}、数字电压表、水银温度计或半导体点温计（自备）

实验步骤：

1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于热电阻旁感受相同的温度。

2、开启主机电源，调节热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。

3、开启加热开关，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（温度表上显示的温度值是炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。

并记录数据填入下表：

℃

VO（mv）

做出V-T曲线，观察其工作线性范围。

注意事项：

加热器温度一定不能过高，以免损坏传感器的包装。

实验5温度传感器—PN结温敏二极管

实验原理：

半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结特性表达公式

可知，当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结正向压降就下降2mv，利用PN结的这一特性就可以测得温度的变化。

实验所需部件：

温敏二极管、温度传感器实验模块、温控加热炉、电压表、温度计（自备）

实验步骤：

1、观察已置于加热炉上的温敏二极管，连接主机与实验模块的电源及传感器探头（注意二极管符号方向），温度计置于与传感器同一感温处，模块温敏二极管输出电路VO端接电压表。

2、开启加热电源，设定加热炉温度，拨动开关置“测量”档，观察随炉温上升VO端电压的变化，并将结果记入下表：

℃

VO

做出V-T曲线，求出灵敏度S=△V/△T。

实验6温度传感器——半导体热敏电阻

实验原理：

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。

它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。

图（11）为金属与热敏电阻温度曲线的比较。

（图11）

实验所需部件：

MF型热敏电阻、温控电加热器、温度传感器实验模块

（一）、{温度传感器实验模块}、电压表、温度计（自备）

实验步骤：

1、观察已置于加热炉上的热敏电阻，温度计置于与传感器相同的感温位置。

连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，热敏电阻测温电路输出端接数字电压表。

2、打开主机电源，调节热敏转换电路电压输出，使其值尽量大但不饱和。

3、设定加热炉加热温度后开启加热电源。

4、观察随温度上升时输出电压值变化，待温度稳定后将V-T值记入下表：

℃

VT

作出V-T曲线，（因为热敏电阻负温度特性呈非线性，所以实验时建议多采几个点）。

得出用热敏电阻测温结果的结论。

注意事项：

热敏电阻感受到的温度与温度计上的温度相同，并不是加热炉数字表上显示的温度。

而且热敏电阻的阻值随温度不同变化较大，故应在温度稳定后记录数据。

实验7温度传感器——集成温度传感器

实验原理：

用集成工艺制成的双端电流型温度传感器，在一定的温度范围内按1μA/K的恒定比值输出与温度成正比的电流，通过对电流的测量即可得知温度值（K氏温度），经K氏-摄氏转换电路直接显示℃温度值。

实验所需部件：

集成温度传感器、温控电加热炉、温度传感器实验模块

（二）、{温度传感器实验模块}、电压表、温度计（自备）

实验步骤：

1、观察置于加热炉上的集成温度传感器，温度计置于传感器同一感温处。

连接主机与实验模块电源与传感器接口线，输出端接电压表。

2、打开主机电源，根据温度计示值调节转换电路电位器，使电压表（2V档）所示当前温度值（设定电压显示值最后一位为1/10℃值，如电压表2V档显示0.256就表示25.6℃）。

3、开启加热开关，设定加热器温度，观察随温度上升，电路输出电压值，并与温度计显示值比较，得出定性结论。

本实验台所用的几种温度传感器性能比较：

传感器

测温范围

精度（℃）

线性

重复性（℃）

灵敏度

热电偶

-200-1600

0.5-3.0

较差

3.0-1.0

不高

铂热电阻

-200-650

0.-1.0

较好

0.3-1.0

不高

PN结温敏

-40-150

1.0

良

0.2-1.0

高

热敏电阻

-50-300

0.2-2.0

不好

0.2-2.0

高

集成温