东南大学检测技术第1次实验报告(共25页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上东南大学传感器技术·检测技术实验报告实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验实验二 金属箔式应变片半桥性能实验实验三 金属箔式应变片全桥性能实验实验五 差动变压器的性能实验院 （系）： 自动化 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 实 验 室： 常州楼5楼 实验时间： 2016 年 11月17日评定成绩： 审阅教师： 目 录实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、 实验目的·······················································4二、 基本原理·······················································4三、 实验器材·······················································4四、 实验步骤·······················································5五、 实验数据处理···················································6六、 思考题·························································7实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、 实验目的·······················································8二、 基本原理·······················································8三、 实验器材·······················································8四、 实验步骤·······················································8五、 实验数据处理···················································9六、 思考题·························································10实验三 金属箔式应变片全桥性能实验一、 实验目的·······················································11二、 基本原理·······················································11三、 实验器材·······················································11四、 实验步骤·······················································11五、 实验数据处理···················································12六、 思考题·························································12实验五 差动变压器的性能实验一、 实验目的·······················································16二、 基本原理·······················································16三、 实验器材·······················································16四、 实验步骤·······················································16五、 实验数据处理···················································19六、 思考题·························································21设计思考1、 设计原理·······················································212、 设计框图·······················································213、 电路设计·······················································21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1、 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。2、 描述电阻应变效应的关系式为：RRK 式中：RR 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，=L/L 为电阻丝长度相对变化。3、 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 Uo 1 = EK/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2.1 应变传感器安装示意图1、 如图 2-1，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。2、 如图 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。3、 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 350，加热丝电阻值为 50左右。图2.2 应变传感器实验模板、接线示意图图2.3单臂电桥工作原理图四、实验步骤1、 根据图 2.3 工作原理图、图 2.2 接线示意图安装接线。图2.3 单臂电桥工作原理图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(Vi0)；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 500 g）砝码加完。实验结果填入表 2-1，画出实验曲线。5、 根据表 2-1 计算系统灵敏度 SU/W（U 为输出电压变化量，W 为重量变化量）和非线性误差 。=m/yFS ×100式中m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。五、实验数据处理1、实验数据重量(g)020406080100120140160180200电压（mv）0.1591419232832384347表2-1 记重量为X，电压为Y，拟合曲线表达式为： y=0.2357x-0.1045非线性误差的计算：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点（140,32）处，故m=3.79g，yFS=200g=myFS ×100%=1.895%系统灵敏度：S=UW=0.23572、实验曲线六、思考题1、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有限制，无论应变计是受拉还是受压，其阻值都会发生变化，从而使得桥路有电压输出。实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压 Uo 2 EK2。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 2.4 工作原理图、图 2.5 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，用导线将两输入口短接(Vi0)；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、 应变片半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 500 g）砝码加完。实验结果填入表 2-2，画出实验曲线。5、 计算灵敏度 SUW，非线性误差。实验完毕，关闭电源。6、 利用虚拟仪器进行测量。图2.4 半桥工作原理图图2.5应变传感器实验模板、接线示意图五、实验数据处理1、 实验数据重量(g)20406080100120140160180200电压（mv）9172736455363728089表2-2 记重量为X，电压为Y，拟合曲线表达式为： y=0.4468x-0.0455非线性误差的计算：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点（40,17）处，故m=1.85g，yFS=200g=myFS ×100%=0.925%系统灵敏度：S=UW=0.44682、 实验曲线六、思考题1、 半桥测量时，两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边；（2）邻边。答：邻边。2、 半桥测量时，两片相同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边；（2）邻边。答：对边。3、 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性；（2）应变片应变效应是非线性的；（3）调零值不是真正为零。答：电桥测量原理上存在非线性。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，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值 R1R2R3R4、其变化值R1R2R3R4 时，其桥路输出电压 Uo 3 KE。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 2-6 工作原理图、图 2-7 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(Vi0)；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 500 g）砝码加完。实验结果填入表 2-3，画出实验曲线。5、 计算灵敏度 SUW，非线性误差。实验完毕，关闭电源。6、 利用虚拟仪器进行测量。图2.6全桥工作原理图图2.7应变传感器实验模板、接线示意图五、 实验数据处理1、 实验数据重量(g)20406080100120140160180200电压（mv）20416082102123144163185206表2-3记重量为X，电压为Y，拟合曲线表达式为： y=1.0295x-0.5909非线性误差的计算：由拟合曲线及散点图可以看出，最大偏差在点（160,163）处，故m=1.097g，yFS=200g=myFS ×100%=0.5485%系统灵敏度：S=UW=1.02952、 实验曲线六、 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 R1R3，R2R4，而 R1R2 时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。答：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，如图-，能否如何利用四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。图2.8受拉力时应变式传感器圆周面展开图答：可以利用它们组成电桥。对于左图，可以任意选取两个电阻接入电桥的对边，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。基本原理如图-（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2.9 应变电桥 单臂U0 U1U3(R1R1)/(R1R1R2)-R4/(R3R4)E (1+R1/R1)/(1+R1/R1+R2/R1)-(R4/R3)/(1+R4/R3)E设 R1R2R3R4，且R1/R11。 U0(1/4)(R1/R1)E所以电桥的电压灵敏度：SU0/(R1/R1)kE=(1/4)E 半桥 U012R1R1E；S(1/2)E 全桥 U0R1R1E；SE4、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。 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 Uo 1 。 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-Uo1 ）即为温度变化的影响。 温度变化产生的相对误差：=Uot-Uo1Uo1×100% 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1、 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。2、 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如图 3-1。图3.1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，如图 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，如图 3-1乙已过零则读2.514mm；如图 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。图3.2差动变压器性能实验原理图图3.3差动变压器性能实验模板、接线图、差动变压器实验 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。 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 45KHz（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-p2V（可用示波器监测：X 轴为 0.2ms/div）。 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。 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1025 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。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 画出 Vop-pX 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、实验数据处理1、 实验数据正向V(mv)51736537292109128X(mm)00.20.40.60.81.01.21.4V(mv)147167185204224243261281X(mm)1.61.82.02.22.42.62.83.0反向V(mv)51837537192108128X(mm)0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4V(mv)148166184204223244260281X(mm)-1.6-1.8-2.0-2.2-2.4-2.6-2.8-3.0记位移为X，电压为Y，拟合曲线表达式为： y=93.4559x-1.1838x>0；y=-93.2206x-0.9559x<0±1mm时系统灵敏度分别为：S=UX=871=87mv/mm，S=UX=87-1=-87mv/mm非线性误差分别为：=5.492 ×100%=5.86%，=5.092 ×100%=5.43%±3mm时系统灵敏度分别为：S=UX=2763=92mv/mm，S=UX=276-3=-92mv/mm非线性误差分别为：=5.4281 ×100%=1.92%，=5.7281 ×100%=2.028%2、 实验曲线音频振荡器的频率为：4757HZ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：受铁磁材料感应频率响应上限影响。2、 试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？答：（1）相同点：利用电磁感应原理工作； （2）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。设计思考：试设计10g10kg电子称，数字显示，精度为0.1%。（原理，框图，关键电路及分析）1、 设计原理当被称物体放置在称体的称台上时，其重量便通过称体传递到称重传感器，传感器随之产生力电效应，将物体的重量转换成与被称物体重量成一定函数关系的电信号。此信号由放大电路进行放大，经滤波后再由A/D转换器进行转换，数字信号送到CPU中，通过CPU发出指令送到显示器显示。2、 设计框图图1 电子称设计框图3、 电路设计（1） 称重传感器图2 电阻应变式桥式测量电路R1、R2、R3、R4为4个应变片电阻，且R1=R2=R3=R4=R，组成桥式测量电路，Rm为温度补偿电阻，e为激励电压，V为输出电压。在力的作用下，R1、R3被拉伸，阻值增大，R1、R3正值，R2、R4被压缩，阻值减小，R2、R4为负值，且应变片阻值变化的绝对值相同。故电桥的输出电压为：V=eK其中K为应变片灵敏系数，为应变量，且K=RR，R是电阻变化值。系统灵敏度 S=Ve=K。（2） 放大器和量程变换测量范围是10g10kg，假设经过称重传感器之后得到的电信号范围10-5mv10V，采用单片机先判断输入电平的量级，通过通道选择开关控制前级放大器的增益系数。输入电压/v10-810-710-710-610-610-410-410-210-21110增益系数1081071051000101输出电压/v1101100.1100.1100.110110表1 增益自动切换（3） A/D转换将经过放大器放大厚的模拟信号转换为数字信号，可选用CC7107A/D转换器。图3 CC7107A/D转换器（4） 显示器图4 数码管显示电路专心-专注-专业