一金属箔式应变片性能单臂电桥.docx

1、一金属箔式应变片性能单臂电桥CSY专感器实验仪简介 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、电涡流传感器引线 3

2、.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（土 2V土 10V档位调节）、F/V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、土 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

3、信号）按符 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、性能及说明一 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V0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：5Q 10Q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2一泯流位修传感签量程： 1mm 订海匸工：1Q 2Q 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。3、

4、 霍尔式彳量程:土2mm 口;：和 口：劇那肘jl I： 800 Q - 1.5K Q 输出端口： 300 Q- 500 Q 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、直流电阻：10Q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、量程：土2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。6、由半导体热敏电阻 NTC :温度系数为负，25C时为10KQO7、 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： 500 Q - 1.5k Q 2 X 60股丫形、半圆分布。8、量程：10Kp

5、a（差压） 供电： 6V 直流电阻：VS+-V s- : 350 Q - 450 Q V o+-V。-:3KQ 3.5K Q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、 抹电加速茂讣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 Q、应变系数：211、 PN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/C。12、 磁电式传感器0 .21 X 1000 沅1_附：30 Q - 40 Q 由线圈和动铁（

6、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： 50 - 2000ppm。14、 湿敏电阻高分子薄膜电阻型：Rh:几兆Q-几KQ 响应时间：吸湿、脱湿小于 10秒。湿度系数：0.5RH%/C 测量范围：10% 95% 工作温度：0C 50C朽号及变唤：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 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、 二,1；般占斧 增益约为5倍 同相输入 通频带010KHz5、 移胡胖 允许最大输入电压

7、 10Vp-p 移和浪川止20o（5kHz时）6、 和戟捡液胖 可检波电压频率o10kHz 允r最.mmovp-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、 低迪汩汶斧9、 涡流变换容由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率 35Hz左右输出电压|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0 2V、020V,频率范围3Hz 2KHz 10Hz 20KHz,灵敏度50mV指针式毫伏表：85c1表，分500

8、mV 50mV 5mV三档，精度 2.5%。四、二种振荡器音频振荡器：0.4KHz 10KHz输出连续可调，V-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：1 30Hz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 C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

9、感器配合进行测速实验。八二组稳压电稳直流土 15V,主要提供温度实验时的加热电源，最大激励 1.5A。 2V 10V分五档输出，最大输出电流 1.5A。提供直流激励源。实验一金属应变片传感器金属箔式应变片性能一单臂电桥实验n的：了解金屈箔式应变丿&旦臂单桥的工作廉理利工作情况=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、士、|胡1历忌实验步骤：(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 可以乙下、甫、后、左、厂谨亿

10、(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，调节电桥平衡网络中的 W1使电桥平衡。* (&VI图I(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F/ V表显示最小，再旋动测微头，使 F/ V表显示为零(细调零)，这时的测微 头刻度为零位的.柑应亥(5)往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下 F/V表显示的值。建议每旋动测微头一周即 X= 0.5mm记一个数值填入表格 1中：表格1位移(mm00.5mm1.0mm1.5mm电压(mV（6）据所得结果

11、计算灵敏度 S= A V/A X （式中 X为梁的自由端位移变化， V为相应F /V表显示的电压相应变化）。注意节项:做此实验吋应密低烦振荡器的幅度关辛最小，以减小莫对n決屯侨的影响t问题：木实验屯路对育流也斥屯沥和对贞x溜有何要应？（2） 金属箔式应变片：单恢丫桥、全桥比较实验H的:验证单臂、半乐 仝桥的性能及相互之间关系匚所雷旦元利部件：肓婕稳圧也源、差劝M攵丿、落、电桥、F/V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

12、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 S= A V/A X。表格2位移（mr）i00.5mm1.0mm1.5mm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

13、灵敏度 S= A V/A X。表格3位移（mr）i00.5mm1.0mm1.5mm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 的显段度。注意事项：(1)花史換呵变片nr；甫电柠義闭。(2)fl垃脸汇杆川女厅发现电匕农茫卞过戟切壬电,I J洱扩人:(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)直流稳压电源土 4V *況:丁 f-jj.it占工免损坏网嗖片应追成i1-贡q热氓、皿.(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

14、。所需单元及部件：电容传感器、差动放大器、低通滤波器、F/ 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，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:电容变换嶷图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。

15、(3) F/V表打到合适档位，磁棒吸合平台 2，调节测微头，使 F/V表输出为零。此刻X(mm及 V(mv)值。的测微头刻度为零位的相应刻度。X(mm)00.1mm0.2mmV(mv)(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。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)0-0.1mm-0.2mmV(mv)(5) 计算系统灵敏度SoS= A V/ AX(式中 V为电压变化， X为相应的梁端位 移变化)，并作出V-X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

16、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。调节频率，调节时用频率表监测频率,f ( Hz )56789101112131415/ ( P-P )(7)固定低频振荡器的幅度旋钮至某一位置, 也可用示波器读出频率，用示波器读出峰峰值填入下表注意事项：(1)注意差动电容器上下两个静片之间绝缘；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

17、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、F/V 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 成一个测量线路。并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。压电传感器电荷放大器低通滤波器示玻器(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)57

18、1215172025V(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、差动放大器、 F/ V表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源旋钮初始位置：F/ V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

19、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 a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

20、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 0C(冰点)时是一种最简单的情况，如果 TC=OC，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电压特征数据与温度对应关系的查找表， 所有数据均基于0C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

21、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 F/V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 F/ V表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下 F/ V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

22、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,t n)+Eab(t n,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。to0 C1.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 0C,铜康铜的热电势：Eab(tn,to): 查以下所附的热电偶自由端为 0C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

23、：热端温度为t，冷端温度为0 C时的热电势，Eab（t,to）,根据计算结果，查分度 表得到温度t O（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，尤其是加热器一 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？（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

24、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 C+300C。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、右老化现象、汉差较丿s 致

25、性差等缺点匚一股只适用丁低精度対温度测莹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1001000000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

26、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1C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。RT关系曲线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:式中匚为某一绝对温度：一时的电阻值, 为绝对温度T时的电阻值，B为制成该热敏电阻的材料常数；e为自然对数的底。热敏电阻的主要参数如下：(

27、1) 标准阻值丄二是指25：C时的电阻值，又称冷电阻1从 UR& I I J, fl RdT二值也是温度的函数。通常是指一时的温度系数。(3)时间常数J,是指将温度为时的热敏电阻放在温度为I11. J的介质中,其阻值减少量达到 (Rq Am) 的63%所需的时间。式中儿是时的阻值，际是100“C时实验目的：了解NTC；冬顷电阳现毀所需单元及部件：加热器、热敏电阻、可调直流稳压电源、- 15V稳压电源、F/ V表、主副电源。实脸步曝：(1) 了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巨。(2) 将F/V表切换开关置2V档，直流稳压电源切换开关置

28、土 2V档(VS),按图3接线, 开启主.副电源，调整 W1(RD)电位器，使F/ V表指示为100mV左右。这时为室温时的 Vi。(3) W1B !1Vr Wil rVj=电1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:(3) PN结温度传感器测温实验所需单元：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：直流稳压电源土 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P

29、N结传感器结构、用数字万用表 二级管”档，测量PN结正反向的结电压，得出其结果。 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。(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/ C。随着温度的升高，其 PN结电压将下降乂该厶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S 10mV/C。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+A t ：注意寧项：(1)汐哄益仅祢対一个液八性唄险(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，以免影响梁上的蛾交;泮就:.旧题;(1)分:斤一卜该泄汨电跆忙啓来际(2) 如要将其作为一个 0100C的较理想的测温电路，你认为还必须具备哪些条件 ？实验四 电感式、磁电式传感器实验(1) -1 差动变