1、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,桥路相对臂电阻乘积相等,电桥输出电压为零。在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中,电阻的相对变化量分别为R1/ R1、R2/ R2、R3/ R3、R4/ R4 ,桥路的输电压出与应变成正比。通常应变测量电桥都采用等臂桥,此时R1= R2= R3= R4=R,R1=-R2 =R3=-R4=R。当使用一个应变片接成单臂桥时,则有;当使用二个应变片接成差动半桥时,则有;若用四个应变片接成差动全桥时,则有。根据电路分析可以得出:单臂测量电桥的输出电压UO=KUiR/4,差动半桥输出电压UO=KUiR/2,差动全桥输出电压UO=KUiR ;相应地单
2、臂测量电桥输出电压的灵敏度Ku=UO/R/R =Ui/4,差动半桥输出电压的灵敏度Ku=UO/R/R =Ui/2,差动全桥输出电压的灵敏度Ku=UO/R/R = Ui。由此可知,单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大;当Ui和电阻相对变化一定时,电桥的输出电压及其电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。三、需用器件及单元实验台主控箱(4V、15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 位半数显万用表。图11 应变式传感器安装示意图四、 实验内容与步骤 图12应变式传感器单臂电桥实验接线图(一) 应变传感器实验模板电路调试及说明 1 实验模板说明 如图1-1所示,应变式传感器已装于应变传感器模
3、块上,传感器中各应变片R1、R2、R3、R4已接入图 12 所示实验电路的左上方,传感器中各应变片的静态值均为350 。实验时,当托盘加上法码后,应变片R1、R3为承受拉应变,其阻值增加;应变片R2、R4承受压应变,其阻值减小;R1、R2、R3、R4应变后阻值的大小可用万用表测量。图 12 中R5、R6、R7为标准电阻,图中没有文字标记的5个电阻符号下面是空的,其中4个组成电桥模型是为实验者搭接差动半桥和全桥电路提供方便,图中的黑粗线表示外接连线。2. 实验模板差动放大器调零 图 12中Rw1和Rw2为电桥调零电位器,Rw3和Rw4为差动放大器调零电位器。由于测量电桥输出电压很小,实验时其输出
4、需接高输入阻抗、高放大倍数的差动运算放大器。运算放大器投入测量放大工作之前,需要进行静态调零。调零的方法如下:(1)接入模板电源15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,将实验模板上调零电位器Rw3 顺时针调节到大致中间位置(先逆时针旋到底,再顺时针旋转2圈)。(2)将差放电路的正、负输入端与地短接,输出端与主控箱面板上数显电压表输入端 Vi 相连,调节实验模板上调零电位器Rw4,使数显表显示电压值为零(数显表的切换开关打到2V档),完毕关闭主控箱电源。(二)应变片单臂电桥实验 1. 单臂电桥接线及调零参考图12接入应变片R1,作为一个桥臂,R1与R5、R6、R7(在模块内已连接
5、好的标准电阻)接成应变片单臂测量电桥。接上桥路电源4V(从主控箱引入),检查接线无误后,合上主控箱电源开关,调节Rw1 使数显表显示电压值为零。2. 单臂电桥实验在应变传感器实验托盘上放置一只砝码,读取数显表显示的电压值;依次增加砝码并读取相应的数显电压值,记入表1.1 中。表 1.1 应变片单臂电桥实验数据表重量(g)20406080100120140160180200电压(mv)3. 实验要求根据表1.1记录的实验数据,画出加载实验曲线,计算应变片单臂测量电桥输出电压的灵敏度SU/g(U输出电压变化量,g重量变化量)和非线性误差f1=m/yF.S 100,式中m为输出值(多次测量时为平均值
6、)与拟合直线的最大偏差;yFS满量程输出量(平均值)。实验完毕,关闭电源。(三)应变片半桥实验 1. 半桥接线及调零参考图13 接线,应变片R1、R2为一对差动电阻应变片(一为拉应变、一为压应变),两应变片接于差动半桥的两相邻边上。保持实验步骤(二)电位器Rw3 、Rw4不变,接入桥路电源4V,调节 Rw1,使数显表电压指示为零。图13应变式传感器半桥实验接线图2. 半桥实验(1)在应变传感器托盘上放置一只砝码,读取数显表显示的电压值;依次增加砝码并读取相应的数显电压值,记入表1.2 中。(2)依次减少砝码并读取相应的数显电压值,将实验数据记入表1.2。表 1.2 应变片半桥实验数据表加载电压
7、(mv)减载电压(mv)根据表1.2记录的实验数据,画出加载及减载实验曲线,计算灵敏度 S ,非线性误差 、回程误差大小。(四)应变片全桥实验 1. 全桥接线及调零参考图14接线,应变片R1、R2、R3、R4接成差动全桥(R1、R3、为拉应变,R2、R4为压应变)。保持实验步骤(三)电位器Rw3 、Rw4不变,接入桥路电源图14全桥性能实验接线图2. 全桥实验依次增加砝码并读取相应的数显电压值,记入表1.3 中。(2)依次减少砝码并读取相应的数显电压值,将实验数据记入表1.3。表 1.3 应变片全桥实验数据表根据表1.3记录的实验数据,画出加载及减载实验曲线,计算灵敏度 S ,非线性误差 、回
8、程误差大小。五、注意事项1. 实验前应检查实验接线是否完好,连接电路时应尽量使用较短的接插线;2. 接插线插入插孔时轻轻的做一小角度的转动,以保证接触良好,拔出时应轻轻把反方向转动一下拔出,切忌用力拉扯接插线尾部,以免造成线内导线断裂;3. 认真检查实验接线,确认接线无误并经指导教师检查后才能启动仪器电源,仪器内部稳压电源(2V、6V、8V、10V、15V)不能对地短路。4. 接入半桥和全桥的应变片须注意其受力方向,使其接成差动式。 六、思考题1. 单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可以。2. 半桥测量时,二片不同受力状态的应
9、变片接入电桥时应放在(1)对边、 (2)邻边,为什么?3. 全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1R3,R2R4,而R1R2时,是否可以组成全桥:(1)可以(2)不可以。4. 比较单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度,从理论上进行分析比较,阐述理由。实验二 差动变压器特性分析1掌握差动变压器的基本结构及工作原理;2. 掌握差动变压器测位移的原理和方法;3了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响;4. 了解差动变压器残余电压及其补偿方法。二、实验原理1差动变压器工作原理差动变压器是一种互感式传感器,是利用变压器初级线圈与次级线圈之间互感的变化,来获得与被测量成
10、一定函数关系的输出电压,以实现非电量的测量。差动变压器有多种结构形式,但应用最多的是螺管式差动变压器(如图2-1所示)。差动变压器主要用于测直线位移,测量位移的范围1100(mm);差动变压器亦可用于测量150HZ以下的低频振动加速度、压力、张力等可以转换为机械位移变化的非电物理量。图2-1 差动变压器原理图在图2-1(a)中,1表示变压器初级线圈,21和22表示变压器次级两差动线圈,3为线圈绝缘框架,4表示动铁,变量X 表示动铁的位移变化量。在图2-1(b)中,R1和L1 表示初级线圈1的电阻和自感,R21和R22表示两次级线圈的电阻,L21和L22表示两次级线圈的自感,M1和M2表示初级线
11、圈分别与两次级线圈间的互感,e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势,图中两次级线圈反向串联,形成差动输出电压u2。当初级线圈L1加上一定的交流电压u1时,在次级线圈中,由于电磁感应所产生感应电压e21和e22,其大小与铁芯的轴向位移成比例。把感应电压e21和e22反极性连接,便得到差动输出电压U2M2-M1 。当动铁处于中间位置时,磁阻Rm1 = Rm2 , 即互感M1 = M2 ,故此时输出电压U2 = 0 ; 当动铁上移时,磁阻 Rm1 Rm2 ,则 M1 M2 ,此时输出电压U20 ; 当动铁下移时,磁阻 Rm1 Rm2 ,则 M1 M2 ,此时输出电压U20
12、 。因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。2灵敏度差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下,动铁移动单位距离时所产生的输出电压,以mv/mm表示,一般大于50mv/mm。三、需用器件与单元差动变压器实验模块、差动变压器、测微头、双踪示波器、音频信号源、直流电源、万用表。四、实验内容与步骤(一)差动变压器测位移性能实验1. 根据图2-2,将差动变压器装在差动变压器实验模板上。2.测微头的安装与使用(1)测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。如图2-3所示,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。一般测微头在使用前,首先转动微分筒到10处(为
13、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并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。(2)测微头的轴套上有两排刻度线,标有数字的(上排)是整毫米刻线(1格),未标数字的(下排)是半毫米刻线(.格);微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01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。(3)测微头的读数方法是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110分度,如图2-3甲读数为3.678,不是3.178。遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻
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