东南大学检测技术实验一.docx
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东南大学检测技术实验一
《检测技术实验》
实验报告
实验名称：
第一次实验
院（系）：
自动化学院专业：
自动化
姓名：
徐丽娜学号：
08011308
实验室：
实验组别：
同组人员：
刘燊燊实验时间：
2011年11月16日
评定成绩：
审阅教师：
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、实验仪器：
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验原理：
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，上面的应变片随弹性体形变被拉伸，对应为模块面板上的R1、R3，下面的应变片随弹性体形变被压缩，对应为模块面板上的R2、R4。
图1
图2
通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
E为电桥电源电压，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为
式1-2
四、实验内容与步骤
1、图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。
2、从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw4，使电压表显示为0V。
Rw4的位置确定后不能改动。
关闭主控台电源。
3、将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。
4、在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。
重量（g）
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
0.2
4.8
9.1
13.3
18.0
22.4
26.9
31.3
35.8
40.2
44.8
表1
利用Origin拟合出的曲线如下：
记重量为X（g），电压为y（mv）,根据Origin拟合出的曲线为：
y=0.22255X+0.18182
可以看出重量为0kg时误差最大为0.01818mv
非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％
=0.01818/0.2*100%
=9.09%
系统灵敏度S＝ΔU/ΔW=0.22255
五、思考题
单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：
（1）正（受拉）应变片；
（2）负（受压）应变片（3）；正、负应变片均可以。
答：
正负均可，单臂电桥对应变计的受力方向没限制，不管应变计受拉还是受压，其阻值都会发生变化，从而使得桥路有电压输出。
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优点。
二、实验仪器：
应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。
三、实验原理：
全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出
Uo=KEε式3-1
E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。
四、实验内容与步骤
1、应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。
2、差动放大器调零，参考实验一步骤2。
3、按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源±4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表为零。
4、在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示0.020V左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表2，关闭电源。
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mv）
16.6
34.2
53.0
70.5
88.2
106
123.7
140.9
158.5
176.1
表2
利用Origin拟合出的曲线如下：
记重量为X（g），电压为y（mv）,根据MATLAB,拟合出的曲线为：
y=0.88697X-0.86447
可以看出重量为200kg时误差最大为0.42953mv
非线性误差δf3=Δm/yF..S×100％
=0.42953/176.1*100%
=0.24
系统灵敏度L＝ΔU/ΔW=0.8869
五、思考题
1、测量中，当两组对边（如R1、R3为对边）电阻值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。
答：
（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，图２-８，能否如何利
用四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图3受拉力时应变式传感器圆周面展开图
答：
能够利用它们组成电桥。
对于左边一副图，可以任意选取两个电阻接入电桥的对边，则
输出为两倍的横向应变，如果已知泊松比则可知纵向应变。
对于右边的一幅图，可以选取R3、R4接入电桥对边，则输出为两倍的纵向应变。
两种情况下都需要接入与应变片阻值相等的电阻组成电桥。
３、金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
基本原理图２-９（a）、（b）、（c）。
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。
注意：
比较实验中，（a）、（b）、（c）放大电路的放大器增益必须相同。
图4应变电桥
①单臂
U0＝U１－U３
＝〔（R1＋△R1）／（R1＋△R1＋R2）－R4／（R3＋R4）〕E
＝〔（1＋△R1／R1）／（1＋△R1／R1＋R2／R2）－（R4／R3）／（1＋R4／R3）〕E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1／R1＜＜1。
U0≈（1／4）（△R1／R1）E
所以电桥的电压灵敏度：
S＝U0／（△R1／R1）≈kE＝（1／4）E
②半桥
U0≈（1／2）（△R1／R1）E
S＝（1／2）E
③全桥
U0≈（△R1／R1）E
S＝E
4、金属箔式应变片的温度影响
电阻应变片的温度影响主要有两个方面。
敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致而产生附加应变。
当温度变化时，即使被测体受力状态不变，输出也会有变化。
①按照全桥性能实验步骤，将200g砝码放在砝码盘上，在数显表上读取数值Uo1。
②将主机箱中直流稳压电源＋5V、地（⊥）接于实验模板的加热器＋6V、地（⊥）插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot。
（Uot-U01）即为温度变化的影响。
温度变化产生的相对误差：
答：
根据实验结果可知：
灵敏度：
全桥>半桥>单臂
非线性度：
单臂>单桥>全桥
理论上：
灵敏度：
单臂
，半桥
，全桥
。
非线性度：
单臂
，半桥
，全桥
。
因为全桥能使相邻两臂的传感器有相同的温度特性，达到消除温度误差的效果。
同时还能消除非线性误差。
结论：
利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。
③如何消除金属箔式应变片温度影响？
答：
利用温度补偿片或采用全桥测量。
实验五差动变压器的性能实验
一、实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理
差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。
当被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化（一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少）。
将两只次级反向串接（同名端连接），引出差动电势输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
三、实验器材
主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。
四、实验步骤
1、测微头的组成与使用测微头组成和读数图
图5测位头组成与读数
测微头组成：
测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：
测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），另一排是半毫米刻线（０.５ｍｍ／格）；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（０.０１ｍｍ／格）。
用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。
微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移０.０１毫米，这也叫测微头的分度值。
测微头读数方法：
先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值，可以估读1／10分度，图3-1甲读数为３.６７８ｍｍ，不是３.１７８ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，图3-1乙已过零则读２.５１４ｍｍ；图3-1丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为１.９８０ｍｍ。
测微头使用：
测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。
一般测微头在使用前，首先转动微分筒到１０ｍｍ处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。
当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
图6差动变压器性能实验原理图
图7差动变压器性能实验模板、接线图
２、差动变压器实验
①按图3-3接线。
将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；＊号为同名端。
②差动变压器的原边Ｌ１的激励电压从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4～5KHz（可用主机箱的频率表输入Fin来监测）；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（可用示波器监测：
X轴为0.2ms/div）。
③松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套使差动变压器的次级输出（示波器第二通道）波形Vp-p为较小值（变压器铁芯大约处在中间位置）。
拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使差动变压器的次级输出波形Vp-p为最小值（零点残余电压），并定为位移的相对零点。
这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一个方向位移为负。
④从零点（次级输出波形Vp-p为最小值）开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm（可取10～25点）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表3-1。
一个方向结束后，再将测位头退回到零点反方向做相同的位移实验。
⑤从零点决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，
由于测微头存在机械回差而引起位移误差。
实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量而回调，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。
当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到次级输出波形Vp-p最小处时它的位移读数有变化（没有回到原来起始位置），这是正常的。
做实验时位移取相对变化量△Ｘ为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
3、实验过程中注意差动变压器次级输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压。
根据表3-1、3-2画出Vop-p－X曲线，作出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。
实验完毕，关闭电源。
表（3－1）差动变压器正位移X值与输出电压数据表
V（mv）
5.9
7.9
11.2
13.2
15.2
X（mm）
10
10.2
10.4
10.6
10.8
V（mv）
16.5
18.5
21.8
23.8
25.8
28.4
X（mm）
11
11.2
11.4
11.6
11.8
12
表（3－2）差动变压器负位移X值与输出电压数据表
V（mv）
9.8
9.6
9.4
9.2
9
X（mm）
7.3
5.9
5.3
8.6
11.2
V（mv）
8.8
8.6
8.4
8.2
8
X（mm）
12.5
15.2
18.5
20.5
22.4
利用Origin拟合出的曲线如下：
记位移为X（mm），电压为y（mv）,根据Origin拟合出的曲线为：
y=11.01818X-104.09
同时可以看出X=11.2mm时误差最大为0.8136mv
非线性误差为δf5=Δm/yF..S×100％
=0.8136/18.5*100%
=4.39%
±1mm的灵敏度=1/（104.09-1*11.01818）
=1.07%
±3mm的灵敏度=3/（104.09-3*11.01818）
=4.200596%
记位移为X（mm），电压为y（mv）,根据Origin拟合出的曲线为：
y=-10.78X+108.46
同时可以看出X=8.8mm时误差最大为1.096mv
非线性误差为δf5=Δm/yF..S×100％
=1.096/12.5*100%
=8.76%
±1mm的灵敏度=1/（108.46-1*10.78）
=1.02%
±3mm的灵敏度=3/（108.46-3*10.78）
=3.94%
五、思考题：
1、用差动变压器测量振动频率的上限受什么影响？
答：
受导线的集肤效应和铁损等的影响，若频率过大会导致灵敏度下降。
2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：
相同点：
利用电磁感应原理工作。
不同点：
差动变压器为开磁路，一、二次侧间的互感随衔铁移动而变，且两个绕组按差动方式工作；一般变压器为闭合磁路，一、二次侧间的互感为常数。
实验八差动变压器的应用——振动测量实验
一、实验目的：
了解差动变压器测量振动的方法。
二、实验仪器：
振荡器、差动变压器模块、相敏检波模块、频率/转速表、振动源、直流稳压电源。
通信接口（含上位机软件）。
三、实验原理：
利用差动差动变压器测量动态参数与测量位移的原理相同，不同的是输出为调制信号，要经过检波才能观测到所测量动态参数。
四、实验内容与步骤
1、将差动变压器安装图10-1安装在三源板的振动源单元上。
图8
2、将差动变压器的输入输出线连接到差动变压器模块上，并按图10-2接线。
3、检查接线无误后，合上主控台电源开关，用上位机观察音频振荡器“00”输出端信号峰－峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=2V。
4、用上位机观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使上位机显示的波形幅值为最小。
5、仔细调节RW1和RW2使示波器（相敏检波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。
用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。
松手，整流波形消失变为一条接近零点线。
（否则再调节RW1和RW2）
6、振动源“低频输入”接振荡器“低频输出”，调节低频输出幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。
用示波器观察放大器Vo1、相敏检波器的Vo2及低通滤波器的Vo3的波形。
图9
7、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用上位机观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表4
表4
f（Hz）
6
8
10
11
12
14
16
18
20
22
24
Vp-p（V）
0.101
0.114
0.168
1.261
0.188
0.127
0.094
0.074
0.067
0.040
0.304
利用Origin拟合出的曲线如下：
根据实验结果作出梁的振幅――频率特性曲线，由上图可知自振频率的大致值在11Hz左右，与用应变片测出的结果相比较此处的频率比应变片所测得的频率要小一些，分析原因可能是因为实验室里大家共用实验仪器再次测量时可能用的不再是相同的振动源了，另外也可能是因为不同的传感器质量大小及分布不同振动源的自振频率不相同。
五、思考题
1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何设计？
答：
一般说来，差动变压器是用于测量位移、压力、振动等非电量参量的传感器件的。
因而，其灵敏度要求高，线性要好。
因而，要采用线性整流电路来进行整流。
线性整流电路的构成是：
一个将整流电路接到反相运算放大器的反馈回路里并在此输出。
所以需要的测量单元是：
运算放大器、整流电路及其外围电路。
2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？
答：
基于差动变压器的工作原理，当输入的频率过高，将会会导致输出失真，线圈寄生电容过大，线性性降低，导致传感器性能不稳定，测量不准确。
六、注意事项
1、低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。
实验九电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容传感器的结构及特点
二、实验仪器：
电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源
三、实验原理：
电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。
利用平板电容器原理：
9-1
式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。
所以电容传感器可以分为三种类型：
改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。
这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。
图10
四、实验内容与步骤
1、按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。
图11
2、将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。
3、接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0。
4、旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表5
表5
X（mm）
16.035
16.535
17.035
17.535
18.035
V（mv）
-0.733
-0.584
-0.424
-0.275
-0.122
X（mm）
18.535
19.035
19.535
20.035
20.535
V（mv）
0.002
0.168
0.286
0.427
0.514
利用Origin拟合出的曲线如下：
记位移为X（mm），电压为y（mv）,根据MATLAB,拟合出的曲线为：
y=（0.28286X-5.23889）
同时可以看出X=10mm时误差最大为0.0556mv
非线性误差为δf6=Δm/yF..S×100％
=0.0556/0.514*100%
=10.82%
灵敏度S=ΔU/ΔX=0.28286
五．思考题
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？
能否叙述一下在设计中应考虑
哪些因素？
答：
由于是测谷物的湿度的，当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，当电容的S与D为恒定值时C=f（ε）,稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器之间穿过。
在设计过程中应考虑：
感应器是否于谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间穿过，而且要注意直板传感器的边缘效应。
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