测试技术实验报告最终版

机械工程与应用电子技术学院

测试技术基础

实验报告

姓名

学号

成绩

2014年6月

实验一 直流电桥实验

一 实验目的

金属箔式应变片的应变效应，单臂、半桥、全桥测量电路工作原理、性能。

二 实验仪器

应变传感器实验模块、托盘、砝码、试验台（数显电压表、正负15V 直流电源、正负4V 电源）。

三 实验原理

电阻丝在外力作用下发生机械变形，电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，关系式：

ε?=?k R

R （1-1） 式中R

R ?为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数； l l ?=

ε为电阻丝长度相对变化。 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组件。如图1-1所示

通过这些应变片转换弹性体被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，

（1）单臂电桥：如图1-2所示R R R R ===765为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

R

R R R E U ??+??=21140 （1-2） E 为电桥电源电压；

式（1-2）表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为%10021???-=R

R L 。 （2）半桥：不同受力方向的两只应变片接入电桥做为邻边，如图1-3。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值想同、应变数也相同时，半桥的输出电压为

R

R E k E U ??=??=220ε （1-3） 式中R

R ?为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数； l l ?=

ε为电阻丝长度相对变化；

E 为电桥电源电压。

式（1-3）表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

（3）全桥：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图1-4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

R

R E U ??=0 （1-4） 式中E 为电桥电源电压;

R

R ?为电阻丝电阻相对变化。 式（1-4）表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

（4）比较：根据式（1-2）、（1-3）、（1-4）电桥的输出可以看出，在受力性质相同的情况下，单臂电桥电路的输出只有全桥电路输出的1/4，而且输出与应变片阻值变化率存在线性误差；半桥电路的输出为全桥电路输出的1/2。半桥电路和全桥电路输出与应变片阻值变化率成线性。

四 实验内容与步骤

1.应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块上方的R 1、R 2、R 3、R 4上。R 1、R 3为梁上部电阻，R 2、R 4为梁下部电阻，当悬臂梁一端加重物时，R 1、R 3受拉力，R 2、R 4受压力。

2.差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 2借数显电压表（选择2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位臵（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位臵确定后不能改动）拔掉差动放大器输入端的短接线。

3.按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

加托盘。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1使电压表显示为零。

4.在应变传感器托盘上放臵一只砝码，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砝码加完，记下实验结果，填入表中单臂一列。

5.保持差动放大电路不变，仿照步骤3，分别按图1-4，1-6将应变电阻连接

成半桥和全桥电路，做半桥和全桥性能实验，并将实验数据记录在下表中。

五 实验数据及处理、分析

1.根据实验所得数据分别计算单臂、半桥、全桥系统灵敏度W U S ??=（U ?为输出电压变化量，W ?为重量变化量）。

实验数据记录表（1）单臂：S=0.0015

（2）半桥：S=0.0028

（3）全桥：S=0.0056

实验二交流全桥称重实验

一、实验目的

1、了解交流全桥电路的原理，了解信号调理和信号处理的基本方法，理解移相器、相敏检波器和低通滤波器的原理。通过本实验加深对交流电桥、信号调制与解调、滤波和放大概念的理解。

2、能够通过改变交流全桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度，掌握测试信号的基本流程，熟练使用基本的信号测试工具。

二实验仪器

移相器、相敏检波器、低通滤波器实验模块，应变传感器实验模块，±15V 电源，音频信号源，ＮＩ6251 采集卡、装有labview 和NI 采集卡驱动的计算机。三实验原理

交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度，传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形和频率稳定度。实验室一般采用5~10KHz 音频交流电源作为交流电桥电源。这样，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无零飘。

采用交流电桥时，必须注意到影响测量误差的一些因素，例如，电桥中元件之间的互感影响、无感电阻的残余电抗、临近交流电路对电桥的感应作用、泄露电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。

四实验内容与步骤

1、连接NI 数据采集卡和转接板，将数据采集卡与电脑用数据线连接，开启实验台电源和数据采集卡开关，运行”measurement&automation”察看输入通道在转接板上的对应位臵（AI0~68，AI1~33，GND~67）

2、将音频信号源1 0 Us （左边信号源）输入AI0，调节信号源频率和幅度旋钮，使得信号源输出1kHz，Vp-p＝6V 正弦信号

3、按图正确接线，图中的示波器我们用数采卡取代，将相敏检波器的输出接入采集卡ＡＩ0通道，低通滤波器的输出接ＡＩ１通道。

4、调节Rw3 到最大，差分放大电路输入短路，调节Rw4 使Uo2 输出为零（用

主控箱上的数显表检测）。

5、调节电桥直流调平衡电位器Rw1，使系统输出基本为零，并用Rw2调零。

6、打开NI 数采卡开关，运行Labview 程序“示波器”，并观察波形。

7、用手轻压应变梁到最低，调节“移相”旋钮使检敏检波器 Uo 端波形成为首 尾相接的全波整流波形如图所示。然后放手，悬臂梁恢复至水平位臵，再调 节电桥中Rw1 和Rw2 电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。 调节交流全桥灵敏度

8、装上砝码盘，分别以每次20g 增加砝码的重量，分别测出交流全桥输出值， 如图所示，然后从200g 每次递减20g 砝码测量交流全桥输出值，填入表中。 将音频信号源Us 频率调到2K 赫兹，重复步骤8。

10、实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五 实验数据及处理、分析

用交流全桥实验装臵测试砝码重量，将实验结果填入下表。计算出交流全桥的灵敏度（V M k ??=）和线性误差。

分析信号源频率和幅度以及移向器对交流全桥灵敏度的影响。

试验数据记录表

音频信号源kHz f 1=

音频信号源kHz f 2=

实验四 典型传感器技术指标标定及测量

一、实验目的：

(1) 深入理解电容式位移传感器、光线传感器和电涡流传感器的工作原理、基本结构、性能及应用。

(2) 掌握测量典型位移传感器标定方法和最小二乘法误差数据处理方法及获得方法。

(3) 掌握利用典型位移传感器（电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器）测量厚度的方法。

二、实验内容及原理：

实验过程中，同学可以从电容传感器、光纤传感器和电涡流传感器中自由选择一种传感器进行标定和检测，有兴趣的同学也可以把这三种传感器都进行试验，更好的理解典型传感器的标定以及其在测厚（距）方面应用的区别。下面分别讲述这三种传感器的工作原理。

电容式传感器是一种将被测量的变化转换成电容量的变化，经电路处理再变换成电压量输出的一种测量装臵，通过检测输出电压的变化来获得被测量的信息。电容传感器具有结构简单、测量精度高、动态响应快、非接触等优点，广泛应用于位移、液位、振动等测量之中。

在一般工作状态下，电容传感器极板间的位移变化和输出电压近似成线性关系，b kx y +=，k 为灵敏度。每种电容传感器的灵敏度不同，在测量之前都需要进行标定，灵敏度标定准确与否直接影响测量精度。

三、实验要求：

（1）.根据传感器的输出信号波形变化确定传感器的线性工作范围；

（2）.用给定的虚拟仪器软件完成传感器的标定，求出灵敏度及最小二乘拟合非线性度和端点连线非线性度；

（3）.熟练使用虚拟仪器软件Labview 进行编程，用给定的标定模板编写数据处理程序，并用编写的程序进行标定；

用给定的相对测量程序模板编写相对测量程序，并用自己编写的程序重新完

成工件厚度的相对测量，根据测量数据分析工件误差。

四、实验装臵：

传感器与检测技术实验台（电容传感器实验模板、光纤传感器实验模块、电涡流传感器实验模板、电容传感器、光纤传感器、电涡流传感器、数显表、±15V 电源、±4V电源、NI采集卡、PC机、Labview等虚拟仪器软件）。

五、实验步骤：

电容传感器的标定

搭建电容传感器标定系统。按照图4-1将电容传感器安装在电容传感器试验模板上，输出信号通过采集卡接入计算机。输出信号同时接数显表.

图4-1 电容传感器的安装

确定传感器的线性工作范围。调整螺旋测微器，改变传感器测头位臵，在数显表上观察输出信号的变化，确定传感器的线性工作范围。

a、使用给定软件标定

利用给定软件对电容传感器进行标定。把传感器位臵调整在最佳线性工作范围的一个端点处，把此位臵设定为初始位移值。转动工作台上的测微头，使传感器的测头调动的步长设为一固定量值（一般为1mm），并记录此时传感器输出电压。按照同样的方法，测得整个范围内标定点的数据。采用最小二乘法和端点连线求出传感器的灵敏度和非线性度，并对两种处理方法的结果进行比较。

b、传感器技术指标标定及检测系统的使用

在标定完成后可使用软件的测量功能任选以物品进行厚度测量。

图4-2 传感器技术指标标定及检测系统的前台界面

图4-3 传感器技术指标标定及检测系统的后台界面

图4-4 最小二乘法标定(模拟数据)

检测软件用Labview开发，用来标定典型传感器的技术指标，包括：线性度、灵敏度、均方差等。（见图4-4）。同时该软件还具有测量功能，可以根据标定产生的数据拟和所产生的参数测量位移量。

软件前台界面分为：显示区、设臵区、标定数据区、测量数据区等区域，在不同的应用场合需要设臵不同的参数或从相应的区域得到关心的数据。

六、实验报告：

1、根据软件做出拟合曲线（要求截图）。

2、最小二乘法和端点连线法确定的非线性度有什么关系？在什么情况下一

致？

3、最小二乘法确定的非线性度是每两点之间的连线确定的非线性度的平均值，在只采集两点的情况下一致。相对测量和绝对测量相比有哪些优点和缺点？

相对测量数据比较稳定，但系统误差大，绝对测量正相反。

4、比较测试系统灵敏度的实际值与理论值，简要讨论差别产生的主要影响因素。

主要在于接入电路时有电压波动，导线太长也产生了额外电容。

5、由实验结果计算出线性度。

数据见图。

七、实验注意事项：

1、信号接入计算机前，一定要大致估计其量值大小，避免超过A/D输入范围，以免损坏硬件。

实验七硅光电迟特性测试实验

一、实验目的：

1.深入理解光敏二极管的工作原理、基本结构、性能及应用。

2.了解NI数据数采卡的基本使用

3.了解利用虚拟仪器进行信号处理的方法

二、实验仪器：

光电传感器实验模块、恒流源、直流稳压电源、数显单元、NI数据采集卡、计算机等。

三、实验原理：

光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的, 它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。当外加偏臵电压与结内电场方向一致，PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N 区，空穴被拉向P区而形成光电流。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。

图7-1 光敏二极管原理结构图

当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是

]1)[exp()1(-=-=kT eV I e I I s kT eV

s

式中I 为流过二极管的总电流,Is 为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为玻耳兹曼常量，T 为工作绝对温度，V 为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I 随V 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。

当有光照时，流过PN 结两端的电流可由下确定：

P s P kT eV

s I kT eV I I e I I +-=+-=]1)[exp()1(

式中I 为流过光电二极管的总电流,Is 为反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为工作绝对温度，Ip 为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电二极管处于零偏时，V=0，流过PN 结的电流I=Ip ；当光电二极管处于负偏时（在本实验中取V=-4V ），流过PN 结的电流I=Ip-Is 。因此，当光电二极管用作光电转换器时，必须处于零偏或负偏状态。

图7-2 光电二极管光电信号接收框图

图7-2是光电二极管光电信号接收端的工作原理框图，光电二极管把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V 转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。

四、实验内容与步骤：

1、如图7-3所示,光敏二极管臵于光电传感器模块上的暗盒内，其两个引脚引到

面板上。通过实验导线将光电二极管接到光电流/电压转换电路的VD两端、光电流/电压转换输出接数据采集卡AI0通道。

2、打开实验台电源，将±15V电源接入传感器应用实验模块。将光电二极管“+”极接地或者-4V。

图7-3 试验接线图

3、0～20mA恒流源接LED两端，调节LED驱动电流改变暗盒内的光照强度。

4、打开LabVIEW程序“硅光电池特性测试实验”，在步长中输入每次采样输入电流的变化量（一般设为1mA），选择测量模式（零偏/负偏）。

5、运行“硅光电池特性测试实验”按照设定的步长调节恒流源的输出，改变LED 的光照强度，按下“采样”采集对应的电压值，经过十次采样后得到得到电压-电流曲线。

实验结果如图所示：

图7-1 零偏状态下的采样曲线

图7-2 负偏状态下的采样曲线

实验八振动参数测试实验

一、实验目的

1.掌握机械系统或结构振动参数的测试方法；

2.掌握传感器（差动变压器式）、激振器等常用振动测试设备的使用方法；

3.了解NI数据数采卡的基本使用；

4.了解用虚拟仪器进行信号处理的方法。

二、实验报告

1.在实验报告中附上你所做出的LABVIEW前面板波形截图。

2.哪些因素影响振动源的振幅？实验过程中是否遇到问题，你是如何分析

和解决这些问题的。振动信号源频率、振荡器不对中、摩擦等。

3.图8-2中铁片和钢珠分别起到了什么作用？

铁片用来检测振动传感器是否对中。钢珠用来减少摩擦力。

4.在所有实验模块中“JCY-2振动源实验模块”质量是最大的，试分析原因。

为了避免在实验中，实验模块随振动源振动而产生振动，影响实验结果

准确性。