测试技术基础实验最终版完整版333334

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：

R

k R

ε?=(1-1) 式中

R

R

?为电阻丝电阻相对变化； 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，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。当受到压力时，上面二个应变片被拉伸，下面二个应变片则被压缩。

图1-1 双孔悬臂梁式称重传感器结构图

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 5=R 6=R 7=R 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 ??

+??=

211/4

0(1-2)

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L=%10021???-

R

R 。 (2) 半桥：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，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相同、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；为应变灵敏系数； l

l

?=ε为电阻丝长度相对变化；

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

Uo=R

R

E ??

(1-4) 式中为电桥电源电压。

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左上方的R1、R2、R3、R4上。 R1、R3为梁上部电阻，R2、R4为梁下部电阻，当悬臂梁一端加重物时，R1、R3受拉力，R2、R4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Uo2接数显电压表（选择2V档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（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的位置确定后不能改动）拔掉差动放大器输入端的短接线。

图1-2 单臂电桥面板接线图

图1-3单臂实验结果参考

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砝码加完，记下实验结果，填入下表中单臂一列。

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。

6．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置（AI0~68，AI1~33，GND~67）。GND接输出端地线，AI0接输出端Uo2。

图1-4 半桥面板接线图

图1-5半桥实验结果参考

图1-6 全桥面板接线图

图1-7全桥实验结果参考

五、实验报告：

1．根据实验所得数据分别计算单臂、半桥、全桥系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量），并与LabVIEW所得结果作对比（要求三个截图）。

实验数据记录表

重量/g 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

电压单臂12.1 24.3 43.9 54.9 69.4 78.1 92.9 111 121 135

/mV 半桥25.6 48.4 77.8 106 133 160 186 210 235 262 全桥49.7 103 151 204 259 314 361 417 470 519

六、注意事项：

实验所采用的弹性体为双孔悬臂梁式称重传感器，量程为1kg ，最大超程量为120％。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

实验三 交流全桥动态特性测试

一、实验目的：

了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法，进一步熟练使用NI 数据采集卡，掌握一种测量梁的固有频率的方法。通过本实验进一步加深对电桥、信号调制与解调、滤波和放大概念的理解。

二、实验仪器：

振动源，信号源，移相器/相敏检波/低通滤波模块，应变传感器实验模块，±15V 电源，ＮＩ6251采集卡，装有labview 和NI 驱动的计算机。

三、实验原理：

应变传感器模块电桥的交流电源e ?

由高频的信号源提供，振动源的交流电源由低频信号源驱动，振动梁的根部贴有四个应变片，将四个应变片接入电路则构成一个交流全桥，其输

出为：

R

u e

R ?

?=

用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。当双平行振动梁被不同频率的信号激励时，起振幅度不同，贴于应变梁表面的应变片所受应力不同，电桥输出信号大小也不同，若激励频率与梁的固有频率相同时则产生谐振，此时电桥输出信号最大，根据这一原理可以找出梁的固有频率。

图3-1 振动梁实验装置

提示：用数据采集

卡代替示波器

图3-2 梁固有频率测试接线图

四、实验内容与步骤：

1、按照交流全桥性能测试实验连接电路，如图3-2所示，由于自动梁上已经安装上应变片，所以不用模块上的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到振动源源板的“应变输出”。四个应变电阻通过导线接到了应变传感器模块的虚线全桥上。此时应将连接到左上角应变片上的导线拔掉。

2、重复称重实验，先将差分放大器短接，使得差分输出为0，将振动梁轻压到底，调节移相旋钮使得示波器出现全波整流波形，如图3-3所示，这时系统灵敏度最高。

图3-3 灵敏度调节

3．将信号源Us2低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，同时接到主控台上的频率表，调节低频信号源输出幅度和频率使振动台明显有振动。

4．低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率（用频率/转速表监测），用

上位机检测频率改变时低通滤波器输出波形的电压峰－峰值，如图3-4所示，填入下表。

图3-4 振动梁固有频率测试

f(Hz) 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Vpp(mV) 40 50 56 60 91 368 70 45 40 38 5．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告：

用交流全桥实验装置测试振动梁的固有频率，将实验结果填入下表并附上共振时的截图。实验数据记录表

f(Hz) 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Vpp(mV) 69 73 79 87 105 152 183 250 140 85

六、注意事项：

进行此实验时低频信号源幅值旋钮约放在3/4位置为宜。

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

输出的一种测量装置，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，y+

=，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kx

b

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；

4)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、实验装置：

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

1)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

2)确定传感器的线性工作范围。调整螺旋测微器，改变传感器测头位置，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。

3)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。把传感器位置调整在最佳线性工作范围的一个端点处，把此位置设定为初始位移值。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、设置区、标定数据区、测量数据区等区域，在不同的应用场合需要设置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？

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。

3、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。

3、对电容传感器进行标定时，如果步长为1mm时实验结果不太理想，同学们可以调节一下电容传感器实验模块的旋钮或者将步长增大。