自动检测技术及应用实验指导书.docx

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自动检测技术及应用实验指导书

实验一金属应变计及直流电桥电路应用实验

一、实验目的

1、观察金属箔式应变计的结构，了解应变计粘贴方式；

2、了解受力悬臂梁、圆柱、圆筒等的应变与应变计应变电阻变化的对应关系；

3、测试受力应变梁变形的应变输出；

4、对金属箔式应变计接成单臂、半桥、全桥三种电桥电路的性能进行比较；

5、了解金属箔式应变计的温度效应及补偿方式。

二、实验原理

1、应变片是最常用的测力传感元件。

当用应变片测力时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面。

当被测式元件受力作用发生形变，粘贴在其表面上的应变片敏感栅随同变形，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。

2、电桥电路是最常用的非电量电测电路。

当电桥平衡时，桥路相对两臂电阻乘积相等，电桥输出为零。

假设桥臂电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化量分别为△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4。

当使用一个应变片作为工作臂构成单臂电桥且其它三臂电阻相等时（初始：

RX=R2=R3=R4=R0），

；当使用二个应变片作为工作臂构成差动电桥且其它两臂电阻相等时（初始：

RX1=RX2=R3=R4=R0），

；当使用四个应变片为工作臂构成差动全桥且初始RX1=RX2=RX3=RX4=R0时，

。

3、根据戴维南定理可知单臂电桥的输出值

，灵敏度

。

推广可知单臂、差动半桥和差动全桥的输出电压

，灵敏度分别为

、

和

。

可知，当E和电阻相对变化量一定时，电桥的灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。

4、当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化；另外如果粘贴应变片的被测试元件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。

为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。

常用的温度补偿方法有电桥补偿法和应变片自补偿法。

本实验中采用的是电桥补偿法。

三、实验所需部件

直流稳压电源+4V、公共电路模块、贴于工作台悬臂梁上的箔式应变片和温度补偿片、应变式传感器实验模块、应变加热器、数字电压表、称重砝码（20克/个）、连接导线若干。

四、实验内容及步骤

1、应变计的性能——应变电桥

1）差动放大器调零：

连接工作台与应变式传感器实验模块、公共电路模块的电源连接线；将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“+”“-”输入端用短线短接并与地端连接；差动放大器的输出端与数字电压表的输入端相连；开启主机电源，将数字电压表的量程选择为2V档，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，调零后公共电路模块上的“增益”、“调零”电位器均不再变动。

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，RX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）。

将载重托盘安装于应变悬臂梁前端永久磁钢上。

图

（1）单臂电桥接线图

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）逐个将砝码放上称重平台，测量V0端输出电压记录W（克）与V（mv）的对应值；然后逐个将砝码取下称重平台，再次测量V0端输出电压记录W（克）与V（mv）的对应值。

并填入下表一：

表一：

单臂电桥实验数据

W（克）

100

120

140

160

140

120

100

V（mv）

5）记录W与V值，并做出W-V曲线，进行灵敏度、线性度、重复性和迟滞性的比较。

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，所以当全部取下砝码后回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零。

3）实验中实验者在放置和取下砝码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。

2、箔式应变计三中桥路的性能比较

1）在完成上述内容的基础上，依次将图

（1）中的固定电阻R1换接应变片组成差动半桥电路（相邻两臂极性相反—受应力情况相反）；

2）再将固定电阻R2、R3换接应变片组成差动全桥电路（相邻两臂极性相反—受应力情况相反、相对两臂极性相同—受应力情况相同）。

3）重复1中的3-4步骤，完成对差动半桥与差动全桥的测试实验，并填入下表二和表三：

表二：

差动半桥实验数据

W（克）

100

120

140

160

140

120

100

V（mv）

表三：

差动全桥实验数据

W（克）

100

120

140

160

140

120

100

V（mv）

4）在同一坐标上描出三中测试结果的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，即相邻两臂受力方向相反，相对两臂受力方向相同，如果接反则电路无输出或输出很小。

3、箔式应变计的温度效应及补偿

1）按图

（1）接成单臂应变电桥，开启主机电源，调整系统输出为零。

记录环境温度T。

2）开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热温度达到一个相对稳定值后（约高于环境温度30℃），记录电桥输出电压值，并求出温度漂移

，然后关闭加热电源，待其冷却。

3）将电桥中的一个固定电阻换成一片与应变片在同一应变梁上的温度补偿应变片，重新调整系统输出为零。

4）开启“应变加热”电源，观察经过温度补偿后的电桥输出电压的变化情况，求出温度漂移

，然后与未进行补偿时的电路进行比较。

注意事项：

1）在主机工作台面板上的箔式应变片接口中，从左至右6片箔式片分别是：

1、3为上梁工作片，2、4为下梁工作片，5、6为上、下梁的补偿片，请注意应变片接口上所示符号表示的相对位置。

2）“应变加热”源温度是不可控制的，只能达到相对的热平衡。

实验二霍尔式传感器的交、直流激励测位移

一、实验目的

掌握在直流信号、交流信号激励下的霍尔传感器测试位移系统的一般形式。

二、实验原理

1、霍尔式传感器是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，其输出的霍尔电势

，其灵敏度

由霍尔片本身的性质决定（

，霍尔系数

，等于材料的电阻率与电子的迁移率的乘积；d是霍尔片的厚度）；

是霍尔元件的激励电流，B是加在霍尔片上的垂直磁场强度。

当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中同时施加一定的激励电流

时，在梯度磁场中通过霍尔片位移变化改变磁场强度B的大小从而使输出的霍尔电势变化，这样就构成了位移传感器。

2、霍尔元件通以恒定直流电流和交流电流激励时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。

三、实验所需部件

直流稳压电源（2V）、霍尔传感器实验模块、公共电路实验模块、相敏检波电路实验模块、音频信号源、电压表、测微仪、示波器。

四、实验步骤与内容

1、直流激励特性实验

1）安装好梯度磁场及霍尔传感器，测量微小唯一量的螺旋测微仪调节机构。

2）差动放大器调零：

3）实验接线按图

（1）所示，按图接线。

冶金校区版本的试验台确认霍尔元件直流激励电压一端接2V，另一激励端接地，差动放大器增益10倍左右。

工学院校区版本的试验台确认霍尔元件直流激励电压为±4V，差动放大器增益差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底）。

图

（1）直流激励电流接线图

3）用螺旋测微仪调节霍尔片的位移使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD（调节霍尔元件的等位电势）使输出为零。

4）从中点开始，调节螺旋测微仪，左右移动霍尔元件各3.5mm，每变化量0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：

X（mm）

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

V0（mV）

作出V-X曲线，求得灵敏度和线性工作范围，观察输出曲线的迟滞、重复性等。

如出现非线性情况，请查找原因。

注意事项

直流激励电压只能是2V，不能接+2V（4V）否则锑化铟霍尔元件会烧坏。

2、交流激励特性实验

1）在步骤一的基础上按图

（2）接好实验电路。

图

（2）交流激励电流接线图

2）差动放大器调零：

3）音频信号输出从1800端口（电压输出）引出，幅度Vp-p≤4V，示波器两个通道分别接相敏检波器①、②端。

4）开启主机电源，按交流全桥的调节方式调节移相器及电桥，使霍尔元件位于磁场中间时输出电压为零。

5）调节测微仪，带动霍尔元件在磁场中左、右各位移3.5mm，记录电压读数并记入下表：

X（mm）

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

V（mV）

作出V-X曲线，求出灵敏度，观察输出曲线的线性度、迟滞性、重复性等，并与直流激励测试系统进行比较。

注意事项：

交流激励信号勿从00或LV端口输出。

实验三温度传感器实验

一、实验目的

1、了解主要温度传感器——热电偶的测温原理及标定方法。

2、了解其它几种测温传感器—箔热电阻、PN结温敏二极管、半导体热敏电阻、集成温度传感器。

3、将热电偶测温与其它几种测温传感器测温的性能进行比较。

二、实验原理

1、热电偶测温是基于热电效应。

由两种不同性质的导体（或半导体）熔接而形成的闭合回路叫做热电回路；当其两个熔接端（一个测量端、一个参考端）处于不同温度场时则回路中产生一定的电流，即电路中有电动势产生，此电动势即为热电势。

热电偶的标定是以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶。

2、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。

3、半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结的反向饱和电流特性表达公式

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。

4、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。

5、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。

三、实验所需部件

K、E分度热电偶、温度传感器实验模块、铂热电阻（Pt100）、温敏二极管、MF型热敏电阻、集成温度传感器、

位数字电压表、水银温度计、导线若干。

四、实验步骤

1、热电偶测温及标定：

图

（1）中T为热端，To为冷端，热电势Et=

。

本实验中选用两种热电偶为镍铬—镍硅（K）和镍铬—铜镍（E）

图

（1）

【1】测温：

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，调节至实验所需设定的温度时停止。

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）首先将加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座，两个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分度热电偶为测试热电偶，冷端接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶。

将温度设定在50℃左右，打开加热开关，

位万用表置200mV档，当拨动开关倒向“温控”时测量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，T0）=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。

【2】标定：

以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶，由于被校热电偶热电势与标准热电偶热电势的误差为：

式e校测——被校热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值；

e标测——标准热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值；

e标分——标准热电偶分度表上标定温度的热电势值；

e校分——被校热电偶标定温度下分度表上的热电势值；

S标——标准热电偶的微分热电势。

1）进行上述的测温1-2步骤，待设定炉温达到稳定时用

位电压表200mV档分别测试温控（E）和测试标定（K）两支热电偶的热电势（需用拨动开关转换），每支热电偶至少测两次求平均值。

2）根据上述公式计算被测热电偶的误差，计算中应对冷端温度不为0℃进行修正。

3）分别将炉温升高，求被校热电偶的误差△e，并将结果填入下表：

热电偶

被测量温度

50℃

70℃

90℃

110℃

130℃

标准热电偶（K）热电势（mv）

平均

被校热电偶（E）热电势（mv）

平均

分度表值

误差

分别画出热电势与温度曲线，得出标定值。

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，所以当拨动开关倒向“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而是E分度热电偶测试到的温度。

2、铂热电阻：

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。

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，失衡放大电路输出端VO4接电压表，水银温度计置于铂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，由于铂热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：

℃

UO（mV）

做出V-T特性曲线，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。

3、PN结温敏二极管：

1）观察已置于电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）与处理电路接口，取样放大电路输出端VO2接电压表，水银温度计置于铂热电阻旁感受相同的温度。

2）开启加热电源，设定加热炉温度≤100℃，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：

℃

UO（mV）

做出V-T曲线，求出灵敏度S=△V/△T。

4、半导体热敏电阻

图

（2）为金属与热敏电阻温度曲线的比较。

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与出路电路接口，阻压

变换电路输出端VO3接电压表。

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）设定加电热炉加热温度≤100℃,开启加（图2）

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：

℃

V0（mV）

做出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。

5、集成温度传感器

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及传感器与处理电路接口，比较放大电路输出端V01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）设定加热器温度≤100℃,开启加热开关，观察随温度上升时电路输出电压值，并与温度计显示值比较，得出定性结论。

6、热电偶与其它测温传感器的性能比较：

本实验台所用的几种温度传感器性能比较如下，看由实验得出的结论是否与给定的结论想符合：

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

较好

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

集成温度

-55-155

1.0

优

0.3

高

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