自动检测技术1.docx
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自动检测技术1
东南大学自动化学院
实验报告
课程名称：
自动检测技术
第一次实验
实验名称：
现代检测技术
院（系）：
自动化专业：
自动化
姓名：
耿佳辉学号：
08011317
实验室：
实验组别：
同组人员：
实验时间：
年月日
评定成绩：
审阅教师：
目录
金属箔式应变片——单臂电桥性能实验...................................
金属箔式应变片——全桥性能实验...........................................
差动变压器的性能实验................................................................
差动变压器的应用—振动测量实验............................................
电容式传感器的位移实验............................................................
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及单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理
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元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。
电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。
三、实验器材
主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
图1应变式传感器安装示意图
如图1，将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，应变式传感器（电子秤传感器）已安装在应变传感器实验模板上。
传感器左下角应变片为R1，右下角为R2，右上角为R3，左上角为R4。
当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小。
图2-2，应变传感器实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片。
没有文字标记的5个电阻是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设的。
传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。
可用万用表进行测量判别，常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。
四．实验步骤
1、根据图3工作原理图、图2接线示意图安装接线。
2、放大器输出调零
将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（Vi＝0）；调节
放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电
压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器
RW4，使电压表显示为零。
3、电桥调零
拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原。
调节实验模板上的桥路平衡电位
器RW1，使电压表显示为零。
4、应变片单臂电桥实验
在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显
表值，直到200g（或500g）砝码加完。
实验结果填入表1，画出实验曲线。
5、根据表2-1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU为输出电压变化量，ΔW为重量变化量）
和非线性误差δ。
δ=Δm/yFS×100％
式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程输出平
均值，此处为200g（或500g）。
实验完毕，关闭电源。
6、利用虚拟仪器进行测量。
图2应变传感器实验模板、接线示意图
图3单臂电桥工作原理图
五、实验结果
实验结果记录如下表：
重量/g
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压/mV
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
从实验数据可以看出电压和重量呈线性关系，即：
绘制出电压与重量的关系曲线如下图所示
灵敏度S=0.25。
因为实验测得的电压完全与重量呈线性关系，故非线性误差为0。
六、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、负应变片均可以，正负应变都会带来电阻值变化，进而使电压变化。
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、基本原理
全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，反的应变片接入电桥邻边。
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Uo3＝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改善。
三、实验器材
主机箱（±4V、±15V、电压表）、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四、实验步骤
1、根据图4工作原理图、图5接线示意图安装接线。
2、差动放大器调零
将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，用导线将两输入口短接（Vi＝0）；调节放
大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）；将主机箱电压
表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，
使电压表显示为零。
3、电桥调零
恢复实验模板上放大器的两输入口接线，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1，使主
机箱电压表显示为零。
4、应变片全桥实验
在应变传感器的托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显
表值，直到200g（或500g）砝码加完。
5、计算灵敏度S＝U／W，非线性误差δ。
实验完毕，关闭电源。
6、利用虚拟仪器进行测量。
图4全桥工作原理图
图5应变传感器实验模板、接线示意图
五、实验结果
实验结果记录如下表：
重量/g
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压/mV
0
11
22
35
50
62
78
90
101
123
136
绘制出电压与重量的关系曲线如下图所示
利用最小二乘法对曲线进行拟合得
>>X=[0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200];
>>Y=[0,11,22,35,50,62,78,90,101,123,136];
>>n=11;
>>x2=sum（X.^2）;%求Σ（xi^2）
x1=sum（X）;%求Σ（xi）
x1y1=sum（X.*Y）;%求Σ（xi*yi）
y1=sum（Y）;%求Σ（yi）
>>a=（n*x1y1-x1*y1）/（n*x2-x1*x1）;%解出直线斜率b=（y1-a*x1）/n
b=（y1-a*x1）/n;%解出直线截距
%作图
%先把原始数据点用蓝色十字描出来
figure
plot（X,Y,'+'）;
holdon
>>%用红色绘制拟合出的直线
px=linspace（0,200,50）;
py=a*px+b;
plot（px,py,'r'）;
灵敏度S等于拟合直线的斜率，即S=0.68mV/g。
z=max（（a*X+b）-Y）/136
非线性误差δ=0.0320
六、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）可以，只要开始将电桥调零，就可以抵消电阻阻值不同造成的误差。
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，如图6，能否如何利用四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图6受拉力时应变式传感器圆周面展开图
答：
左侧的贴法在有拉力时，四个应变片的阻值变化趋势相同，组成电桥时电桥会始终平衡，所以无法测得拉力，需要外加电阻才能实现拉力测量；右侧的贴法在有拉力时，的变化趋势相同，与的变化趋势相反，所以可以组成电桥实现拉力测量，无需外加电阻。
3、金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较基本原理如图7（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7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。
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-U01）即为温度变化的影响。
3如何消除金属箔式应变片温度影响？
答：
应用桥式电路，这样当温度发生变化时，应变片的阻值变化相同，电桥仍然能平衡，所以桥式电路可以抑制温漂。
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
图8差动变压器性能实验模板、接线图
1、按图8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。
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为定值，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
5、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。
五、实验结果
实验结果记录如下表：
X/mm
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0
Vop-p/mV
0.625
0.555
0.499
0.415
0.356
0.283
0.216
0.142
0.073
X/mm
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Vop-p/mV
0.144
0.218
0.286
0.353
0.414
0.497
0.555
0.622
0.699
0.776
绘制出Vop-p－X曲线如下图所示
对X>0所测得的几组数据进行线性拟合，得Vop-p=0.139*X+0.076;非线性误差为0.0054
对X<0所测得的几组数据进行线性拟合，得Vop-p=-0.139*X+0.075;非线性误差为0.0052
六、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、基本原理
由差动变压器性能实验基本原理可知，当差动变压器的铁芯连接杆与被测体连接时就能检测到被测体的位移或振动。
三、实验器材
主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、振动源、示波器。
四、实验步骤
图9差动变压器振动测量安装、接线图
1、将差动变压器按图9卡在传感器安装支架的U型槽上，并拧紧差动变压器的夹紧螺母；调整传感器安装支架，使差动变压器的铁芯连杆与振动台中心点磁钢吸合，并拧紧传感器安装支架压紧螺帽；再调节升降杆使差动变压器铁芯大约处于线圈的中心位置。
2、按图接线，并调整好有关部分，调整如下：
（1）检查接线无误后，合上主机箱电源开关，用频率表、示波器监测音频振荡器LV的频率和幅值，调节音频振荡器的频率、幅度旋钮，使Lv输出4～5KHz、Vp-p=2V的激励电压。
（2）用示波器观察相敏检波器输出（图中低通滤波器输出接的示波器改接到相敏检波器输出），调节升降杆（松开锁紧螺钉转动升降杆的铜套）的高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
（3）仔细调节差动变压器实验模板的RW1和RW2（交替调节）使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅值更小，基本为零点。
（4）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。
（5）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）振动源的低频输入接上主机箱的低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。
用示波器观察相敏检波器输出及低通滤波器输出波形。
3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率，用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰峰电压值，记下实验数据。
4、根据实验结果作出梁的振幅～频率特性曲线，指出自振频率的近似值，并与实验四使用应
变片测出的结果相比较。
5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。
6、注意事项：
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。
实验完毕，关闭电源。
五、实验结果
测得的实验数据记录如下表：
频率/Hz
3
6
9
12
15
18
21
24
27
Vp-p/V
0.389
0.558
0.98
1.531
0.43
0.243
0.15
0.112
0.084
振幅～频率特性曲线如下图所示
自然频率的近似值约为11Hz.
六、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：
由于输出为交流电，如果用直流电压表测则需要将交流电整流成直流，所以需要增加整流电路。
2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？
答：
震动阻尼太大,受磁芯磁滞限制,灵敏度不高.不能测量高频震动。
实验九电容式传感器的位移实验
一、实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理
利用电容C＝εA／d的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传感器。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图3-6所示：
由二个圆筒和一个圆柱组成。
设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2πｘ／ln（R／r）。
图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生ΔX位移时，电容量的变化量为ΔC=C1－C2=ε2π2ΔX／ln（R／r），式中ε2π、ln（R／r）为常数，说明ΔC与位移ΔX成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
三、实验器材
主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
四、实验步骤
图10电容传感器位移实验原理图
1、按图11将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1接主机箱电压表的Ｖin。
2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：
逆时针转到底再顺时传３圈）。
3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档，合上主机箱电源开关；旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ，再转动测微头（向同一个方向）5圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；此后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数，共转10圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。
图11电容传感器位移实验安装、接线图
五、实验结果
X/mm
11.220
10.720
10.220
9.720
9.220
8.720
8.220
7.720
7.220
6.720
6.220
V/mV
-108.0
-85.0
-64.0
-44.3
-25.0
-4.8
15.0
36.8
58.2
77.7
97.7
测得的实验数据记录如下表：
V-X曲线如下图所示
对该组中X>0的数据进行线性拟合，得V=76.6789*X+2.0196;对该组中X<0的数据进行线性拟合，得V=--40.8745*X+352.2715。
故灵敏度-40.87，非线性度为0.0081
六、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：
在同温度、同压力下,湿度不同的空气的相对介电常数ε存在很大差异，则电容的容量也会发生相应变化，只要测得电容的容量大小就能计算出谷物湿度。
要考虑的问题有湿度与相对介电常数的非线性性，传感器的灵敏度等等。
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