自动化检测技术与装置实验指导书doc

实验目录

实验一金属箔式应变片——单臂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——全桥性能实验实验四金属箔式应变片——电子秤实验

实验五差动变压器的性能测定

实验六电容式传感器的位移特性实验

实验七直流激励时霍尔传感器位移特性实验实验八热敏电阻的特性研究

实验九光电二极管和光敏电阻的特性研究

附录1 实验箱温度控制简要原理

附录2 温度控制器使用说明

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，单臂电桥工作原理和性能。

二、 基本原理：

金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。

金属的电阻表达式为： S

l R ρ= （1） 当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长l ?，横截面积相应减小S ?，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变ρ?，故引起电阻值变化R ?。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：ρ

ρ?+?-?=?S S l l R R （2） 式中的l l ?为电阻丝的轴向应变，用ε表示，常用单位με（1με=1×mm

mm 610-）。若径向应变为r r ?，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比μ表示为）（l

l r r ?-=?μ，因为S S ?=2（r r ?），则（2）式可以写成：

l

l k l l l l l l R R ?=???++=?++?=?02121）（）（ρρμρρμ （3） 式（3）为“应变效应”的表达式。0k 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，0k 受两个因素影响，一个是（1+μ2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是）（ρερ?，是材料的电阻率ρ随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金属材料而言，以前者为主，则μ210+≈k ，对半导体，0k 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数0k =2左右。

用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值ε，而根据应力应变关系εσE = （4）

式中 σ——测试的应力；

E——材料弹性模量。

可以测得应力值σ。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表（自备）。

四、实验内容与步骤：

1、应变片的安装位置如图（1－1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R

2、R

3、R4。可用万用表进行测量，R1=R2=R3=R4=350Ω。

R1R2

R4

R3

图1－1 应变式传感器安装示意图

2、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，顺时针调节Rw2使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、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Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源。（注意：当Rw2的位置一旦确定，就不能改变。）

3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±5V，此时应将±5V地与±15V地短接（因为不共地）如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节Rw1，使数显表显示为零。

4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。

图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图

重量(g)

电压(mv)

（输出电压的变化量，重量变化量）和

非线性误差δ

f1=Δm/y FS ×100％式中m

?（多次测量时为平均值）为输出值与拟合

直线的最大偏差：y FS满量程输出平均值,此处为200g.

五、实验注意事项：

1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

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。

七、实验报告要求：

1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2、从理论上分析产生非线性误差的原因。

实验二 金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的：

1、了解半桥的工作原理。

2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

二、基本原理：

把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U O2＝EG ε／2。

式中E 为电桥供电电压。

三、需用器件与单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V 电源、±5V 电源。

四、实验内容与步骤：

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，进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、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Rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2V 档）。关闭主控箱电源。

2、根据图2-1接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±5V ，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零，重复实验一中的步骤4、5，将实验数据记入表2-1，计算灵敏度W U S ??=/2，非线性误差2f δ。若实验时显示数

值不变化说明R1与R2两应变片受力状态相同。则应更换应变片。

图2-1 应变式传感器半桥实验接线图 重量（g ）

1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。

五、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。

2、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。

七、实验报告要求：

1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线。

2、分析为什么半桥的输出灵敏度为什么比半桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。

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原理及优点。

二、基本原理：

全桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：

＝KEε。其R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U

03

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明显改善。

三、需用器件和单元：

应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源。

四、实验内容与步骤：

1、根据3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。

重量（g）

电压（mV）

图3-1 应变式传感器全桥实验接线图

五、实验注意事项：

1、不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。

2、电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V。

六、思考题：

1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）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。

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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。

图3-2 应变式传感器受拉时传感器周面展开图

七、实验报告要求：

1、根据所记录的数据绘制出全桥时传感器的特性曲线。

2、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，并从理论上加以分析比较，得出相应的结论。