试验一金属箔式应变片性能单臂电桥.docx

1、试验一金属箔式应变片性能单臂电桥目录CSY传感器实验仪简介 1实验一 金属应变片传感器 4实验二 电容式传感器、压电式传感器实验 7实验三 热电偶、热电阻、PN温度传感器实验 10实验四 电感式、磁电式传感器实验 16实验五 光纤位移式传感器实验 27实验六 气敏、湿敏传感器实验 31CSY传感器实验仪简介实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传

2、感器引线3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（2V10V档位调节）、FV数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、15V不可调稳压电源。实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符

3、号从这个单元插孔引线。处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。主要技术参数、性能及说明传感器安装台部分： 双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。传感器： 1、差动变压器 量程:5mm 直流电阻：510由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体. 2、电涡流位移传感器 量程:1mm 直流电阻：12 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。 3、霍尔式传感器 量程

4、: 2mm 直流电阻：激励源端口：8001.5K 输出端口：300500 日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。 4、热电偶 直流电阻：10左右 由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。5、电容式传感器 量程：2mm 由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。6、热敏电阻 由半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25时为10K。7、光纤传感器 由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围2mm。红外线发射、接收、直流电阻：5001.5k 260股丫形、半圆分布。8、压阻式压力传感器 量程：10Kpa(差压) 供电：6V 直流电阻：V

5、s+-Vs- ：350450 Vo+-Vo- ：3K3.5K美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。9、压电加速度计 PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：10KHZ，电荷灵敏度：q20pc/g。10、应变式传感器 箔式应变片阻值：350、应变系数：211、PN结温度传感器： 利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：-2.1mV/。12、磁电式传感器 0 .211000 直流电阻：3040 由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s13、气敏传感器MQ3：酒精：测量范围：5

6、02000ppm。14、湿敏电阻高分子薄膜电阻型：RH：几兆几K 响应时间：吸湿、脱湿小于10秒。湿度系数：0.5RH%/ 测量范围：1095 工作温度：050二、信号及变换： 1、电桥： 用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。2、差动放大器 通频带010kHz 可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。3、电容变换器 由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。4、电压放大器 增益约为5倍 同相输入 通频带010KHz5、移相器 允许最大输入电压10Vp-p 移相范围20(5kHz时)6、相敏检波器 可检波电压频率010kHz 允许最大输入电压10Vp

7、-p 极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路 7、电荷放大器 电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。8、低通滤波器 由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右 9、涡流变换器 输出电压|8|V(探头离开被测物变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件10、光电变换座 由红外发射、接收组成。三、二套显示仪表数字式电压/频率表：3位半显示，电压范围02V、020V，频率范围3Hz2KHz、10Hz20KHz，灵敏度50mV。指针式毫伏表：85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。四、二种振荡器音频振荡器：0.4KHz10KHz输出连续可调，V-

8、p-p值20V，180、0反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。低频振荡器：130Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。五、二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。电加热器二组电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30左右的升温。测速电机一组由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。八二组稳压电稳直流15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。2V10V分五档输出，最大输出电流1.

9、5A。提供直流激励源。实验一 金属应变片传感器(1)金属箔式应变片性能单臂电桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。 实验步骤： (1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 (2)将差动放大器调零.(3)根据图1接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻，R4为应变片。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源

10、，调节电桥平衡网络中的W1使电桥平衡。 图 (4)旋转测微头使得双平等梁的自由端与磁钢吸合，调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使FV表显示最小，再旋动测微头，使FV表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 (5)往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下FV表显示的值。建议每旋动测微头一周即X0.5mm记一个数值填入表格1中：表格1 位移（mm） 0 0.5mm1.0mm1.5mm电压（mv）(6)据所得结果计算灵敏度SVX（式中X为梁的自由端位移变化，V为相应FV表显示的电压相应变化）。注意事项： 做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。

11、 问题： 本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？ （2） 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较 实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 所需单元和部件： 直流稳压电源、差动放大器、电桥、FV表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。 实验步骤： 单臂电桥性能测试如实验一（1）所示。半桥测量电路中，将图1电路中R3固定电阻换为与R4应变片状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同应变片，形成半桥。保持差动放大器增益不变，调零。调节测微头脱离双平衡梁，调节W1使电桥平衡重复实验一（1）中（4）-（5）步骤，数据记录在表格2中，根据测量结果计算半桥测量电路灵敏度SVX。 表格2位

12、移（mm）00.5mm1.0mm1.5mm电压（mv） (6) 全桥测量电路中，将图1电路中R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成 ，R2换成 ，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出，这样接成一个直流全桥测量电路，(7) 重复实验一（1）中（4）-（5）步骤，数据记录在表格3中，根据测量结果计算全桥测量电路灵敏度SVX。表格3位移（mm）00.5mm1.0mm1.5mm电压（mv） (8) 在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种测量电路的灵敏度。 注意事项： (1) 在更换应变片时应将电源关闭。 (2) 在实验过程中如有发

13、现电压表发生过载，应将电压量程扩大。 (3) 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。 (4) 直流稳压电源4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。 (5) 接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。实验二 电容式传感器、压电式传感器实验（1）差动变面积式电容传感的静态及动态特性实验目的：了解差动变面积式电容传感器的原理及其特性。所需单元及部件：电容传感器、差动放大器、低通滤波器、V表、低频振荡器、示波器实验原理：电容式传感器有多种形式，本仪器是差动平行变面积式。传感器由两片定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上，下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，

14、极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为CX1 ，下层定片与动片形成的电容定为CX2 ，当将CX1 ，和CX2 接入双T型桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压量与电容量的变化有关，即于振动台的位移有关。实验内容：（1）静态特性测量电路如图1所示： 图1（2）差动放大器增益旋钮首先置于最大，调零后旋钮再置于中间。（3）FV表打到合适档位，磁棒吸合平台2，调节测微头，使FV表输出为零。此刻的测微头刻度为零位的相应刻度。（4）转动测微头,每次0.1mm，记下此时测微头的读数及电压表的读数，直至电容动片与上（或下）静片复盖面积最大为止。X(mm)00.1mm0.2mmV(m

15、v)退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法，记下X(mm)及 V(mv)值。X(mm)0-0.1mm-0.2mmV(mv)（5）计算系统灵敏度。（式中为电压变化，为相应的梁端位移变化），并作出关系曲线。（6）动态特性测量电路如图2，卸下测微头，磁棒不吸合震动台2，断开电压表，接通激振器线圈1，使平台产生震动，用示波器观察输出波形。（7）固定低频振荡器的幅度旋钮至某一位置，调节频率，调节时用频率表监测频率，也可用示波器读出频率，用示波器读出峰峰值填入下表 F （ Hz ） 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 V （ P-P ） 注意事项：（1）注意差动电容器上下两

16、个静片之间绝缘；两个静片与动片之间绝缘。 （2）理想情况下，差动变容器动态特性测量示波器输出正弦波。测量中注意去除环境周围对振动平台2的影响。（3）如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。（2）压电式传感器的动态响应测试实验目的：了解压电式传感器的原理、结构及应用。所需单元及设备：低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、压电传感器、双踪示波器、激振线圈、表、主、副电源、振动平台。实验步骤：（1）观察压电式传感器的结构，传感器由PZT-5锆钛酸铅压电晶片和铜质量块构成。根据图1的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线

17、路。并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。图1（2）将低频振荡信号接入振动台的激振线圈2。（3）调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，也可用示波器读出频率，用示波器读出峰峰值填入下表：F(HZ)571215172025V(p-p)思考：根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？试回答压电式传感器的特点。注意：由于双平衡梁结构，压电加速度传感器动态响应测试中，示波器输出正弦波中波峰和波谷均发生内凹现象。实验三 热电偶、热电阻、PN温度传感器实验（1）热电偶原理及现象 实验目的：了解热电偶的原理及现象所需单元及附件：15V不可调直流稳压电源、差

18、动放大器、FV表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源旋钮初始位置：FV表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。热电偶工作原理：二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，如图（a）所示，环路电压VOUT为热结点结电压与冷结点（参考结点）结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，也就是说VOUT是温差的函数。比例因数对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。热电偶测温原理图（b）所示是一种最常见的热

19、电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的结点。本例中，每个开路结点与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外结点，只要这两个结点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热结点与冷结点温差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热结点的实际温度，冷结点温度必须是已知的。冷结点温度为0(冰点)时是一种最简单的情况，如果TC=0，则VOUT=VH。这种情况下，热结点测量电压是结点温度的直接转换值。不过，在实际应用中这是难以实现的。为此，美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的

20、电压特征数据与温度对应关系的查找表，所有数据均基于0冷结点温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热结点温度。实验步骤：（1）解热电偶在实验仪上的位置及符号，（参见附录）实验仪所配的热电偶是由铜康铜组成的简易热电偶，分度号为T。实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。（2）按图1接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使FV表显示零，记录下自备温度计的室温。图1（3）将15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察FV表显示值的变化，待显

21、示值稳定不变时记录下FV表显示的读数E。（4）用自备的温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来。（注意：温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。（5）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)其中：t -热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。 tn-热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。 to-01.热端温度为t,冷端温度为室温时热电势。Eab(t,tn)=(f/v显示表E)/100*2(100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联)。2.热端温度为室温，冷端温度为0，铜康铜的热电势：Eab

22、(tn,to):查以下所附的热电偶自由端为0时的热电势和温度的关系即铜康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。3.计算：热端温度为t，冷端温度为0时的热电势，Eab(t,to),根据计算结果，查分度表得到温度t。（6）热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。（注意：本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。（7）实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去15V电源连接线）其它旋钮置原始位置。思考：（1）为什么差动放器接入热电偶后需再调差放零点？（2）即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也了会有很大误差，为什么？（

23、2） 热敏电阻演示实验(998型) 热敏电阻特性： 热敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：PTC热敏电阻(正温度系数)与NTC热敏电阻(负温度系数Negative Temperature Coefficient)。一般NTC热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC突变型热敏电阻的温度范围较窄，一般用于恒温加热控制或温度开关，也用于彩电中作自动消磁元件。有些功率PTC也作为发热元件用。PTC缓变型热敏电阻可用作温度补偿或作温度测量。一般的NTC热敏电阻测温范围为：-50+300。热敏电阻具有体积小、重量轻、热惯性小、工作寿命长、价格便宜，并且本身阻值大，不需考虑引线长度带来的误差，适

24、用于远距离传输等优点。但热敏电阻也有：非线性大、稳定性差、有老化现象、误差较大、一致性差等缺点。一般只适用于低精度的温度测量。 NTC热敏电阻器是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O1000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。实验原理热敏电阻测量温度一般使用的

25、温度计，除了常用的水银或酒精制成的温度计外，还有用其他材料制成的温度计。如热电偶、光测高温计、定容气体温度计等。热敏电阻温度计也是一种常用的测温仪器，它是利用半导体制成感温元件，它的电阻称为热敏电阻。其阻值随温度升高而减小，具有负的温度系数。电阻变化的范围比一般具有正温度系数的金属电阻大。例如，当温度变化1时，热敏电阻的阻值变化范围可达3%6%。而且阻值可以很大，体积可以很小，灵敏度高，热惯性小，价格又低，这些特点使它在生产与科研中有了广泛的应用。热敏电阻的阻值与温度的关系是一条曲线，如上图所示。如用公式表示，近似为： 式中为某一绝对温度时的电阻值，为绝对温度T时的电阻值，B为制成该热敏电阻的

26、材料常数；e为自然对数的底。热敏电阻的主要参数如下：（1） 标准阻值是指25C时的电阻值，又称冷电阻（2） 温度系数，是指当热敏电阻的温度改变时电阻变化的相对值。 值也是温度的函数。通常是指时的温度系数。（3） 时间常数J，是指将温度为时的热敏电阻放在温度为的介质中，其阻值减少量达到的63%所需的时间。式中是时的阻值，是100时的阻值。时间常数用来说明热敏电阻的热惯性，由于各种热敏电阻的材料与体积不同，其时间常数也不同，体积愈大，愈小，一般为10秒秒。实验目的：了解NTC热敏电阻现象。 所需单元及部件：加热器、热敏电阻、可调直流稳压电源、15V稳压电源、FV表、主副电源。 实验步骤： （1）了

27、解热敏电阻在实验仪的所在位置及符号，它是一个兰色或棕色元件，封装在双平行振动梁上片梁的表面。 （2）将FV表切换开关置2V档，直流稳压电源切换开关置2V档（VS），按图接线，开启主副电源，调整W1(RD)电位器，使FV表指示为100mV左右。这时为室温时的Vi。 图3（3）将-15V电源接入加热器，观察电压表的读数变化，电压表的输入电压：（4）由此可见，当温度 时，RT阻值 ，Vi 。思考题： 如果你手上有这样一个热敏电阻，想把它作为一个050的温度测量电路，你认为该怎样来实现？（3）PN结温度传感器测温实验 基本原理 晶体二极管或三极管的PN结电压是随温度变化的。例如硅管的PN结的结电压在温

28、度每升高1时，下降约2.1mV，利用这种特性可做成各种各样的PN结温度传感器。它具有线性好、 时间常数小(0.22秒)，灵敏度高等优点，测温范围为-50+150。其不足之处是离散性大互换性较差。 实验目的：了解PN结温度传感器的特性及工作情况。 所需单元：主、副电源、可调直流稳压电源、15V稳压电源、差动放大器、电压放大器、F/V表、加热器、电桥、水银温度计 (自备)。旋钮初始位置：直流稳压电源6V档，差放增益最小逆时针到底(1倍)，电压放大器幅度最大4.5倍。实验步骤：(1)了解PN结，加热器，电桥在实验仪所在的位置及它们的符号。(2)观察PN结传感器结构、用数字万用表“二级管”档，测量PN

29、结正反向的结电压，得出其结果。(3)把直流稳压电源V+插口用所配的专用电阻线(51K)与PN结传感器的正端相连，并按图2接好放大电路，注意各旋钮的初始位置，电压表置2V档。图2(4) 开启主、副电源，调节RD(W1)电位器，使电压表指示为零，同时记下此时水银温度计的室温值（t）。 (5) 将-15V接入加热器（15V在低频振荡器右下角），观察电压表读数的变化，因PN结温度传感器的温度变化灵敏度约为 ：-2.1mV/。随着温度的升高，其PN结电压将下降V，该V电压经差动放大器隔离传递( 增益为1)，至电压放大器放大4.5倍，此时的系统灵敏度S10mV/。待电压表读数稳定后， 即可利用这一结果，将电压值转换成温度值，从而演示出加热器在PN结温度传感器处产生的 温度值(T)。此时该点的温度为T+t。 注意事项： (1) 该实验仅作为一个演示性实验。 (2) 加热器不要长时间的接入电源，此实验完成后应立即将-15V电源拆去，以免影响梁上的 应变片性能。 问题； （1）分析一下该测温电路的误差来源。 （2）如要将其作为一个0100的较理想的测温电路，你认为还必须具