检测与转换技术实验指导书

《检测与转换技术》

实验指导书

适用专业:电气工程、信息工程

课程代码: 8426920

总学时: 40 总学分: 2.5

编写单位:测控技术与仪器系

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目录

实验一箔式金属应变片性能及单臂、半桥、全桥性能比较

与半导体应变片性能比较试验（实验代码1） (3)

实验二热电式传感器——热电偶、热敏电阻测温试验（实验代码2） (6)

实验三基于上位机检测的光电测速、测频率综合实验（实验代码3） (8)

实验四基LABVIEW的霍尔式传感器的直流激励特性综合实验（实验代码4） (11)

实验五自创性实验（实验代码5） (13)

附录1：成绩考核办法 (13)

附录2：推荐教材、参考书 (13)

实验一箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥性能比较与半导体应变片性能比较试验

一、实验目的和任务

1．观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式；

2．测试应变梁变形的应变输出；

3．比较各桥路间的输出关系；

4．比较金属应变片与半导体应变片的各种的特点。

二、 实验内容

1． 测量直流单臂，半桥和全桥的输出特性； 2． 比较温度对单臂，半桥和全桥性能的影响； 3． 对单臂、半桥和全桥的灵敏度，线性度进行比较；

4． 采用单臂电桥进行测量，对金属应变片、半导体应变片进行灵敏度的比较。

三、 实验仪器、设备及材料

直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重砝码）、电压表。

四、 实验原理

1. 金属箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥性能

本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。

应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。

优点: 稳定性和温度特性好；缺点: 灵敏度系数小。

电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R 1、R 2、R 3、R 4中，电阻的相对变化率分别为△R 1／R 1、△R 2／R 2、△R 3／R 3、△R 4／R 4，当使用一个应变片时，R

Δ

R =

∑；当二个应变片组成差动状态工作，则有R R R Δ2=

∑；用四个应变片组成二个差动对工作，且R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R ，R

R

R Δ4=∑。 由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。单臂电桥测试原理如图1.1所示。 如果 R 1＝R 2＝R 3＝R 4，则

从上式中可以看出电桥中相邻两臂的应变片受力应相反。 2. 半导体材料的压阻效应

半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为半导体材料的压阻效应。

对于长l ，截面积S ，电阻率ρ的条形半导体应变片，在轴向力F 作用下：

()σπεπρρ

ρρεμL L E R R ==∆≈∆++=∆21

应变灵敏系数

()E

R

R K L B πε

ρ

ρμε≈∆+

+=∆=

/21/

式中，E — 半导体应变片材料的弹性模量；

πL — 半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。

特点：灵敏系数高（其灵敏度是金属应变片的几十倍），可测微小应变，机械迟滞和横向效应小，体积小。但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿。

五、 主要技术重点、难点

测试方法的理解和运用。

六、 实验步骤

1．调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化，调零后关闭仪器电源。

＋

－图1.1 单臂电桥测试原理图

2．按图1.1将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R 1、R 2、R 3、和W D 为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R 为金属箔式应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V 。

3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。调整电桥W D 电位器，使测试系统输出为零。

4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电压为零为起点，向上和向下移动各5mm ，测微头每移动0.5mm 记录一个差动放大器输出电压值，并列表。

5. 半导体应变片单臂电桥测试：保持差动放大器增益不变，按图1.1将实验部件用实验线连接成测试桥路，将图1.1中的R 换为半导体应变片，重复金属箔式单臂电桥的步骤；

6. 直流半桥：保持差动放大器增益不变，将R2换成与应变片R 工作状态相反的另一金属箔式应变片，（若R 拉伸，换上去的应为压缩片）形成半桥。重复单臂电桥的步骤；

7 直流全桥：保持差动放大器增益不变，将R1换成与应变片R 工作状态相反的另一金属箔式应变片，（若R 拉伸，换上去的应为压缩片），将 R3换成与应变片R 工作状态相同的另一金属箔式应变片，形成全桥。重复单臂电桥的步骤。

七、 实验报告要求

1. 用表格形式列出金属箔式应变片单臂、半桥、全桥实验数据；

2. 分别在坐标纸上绘出三种情况下的输出特性曲线（X-V 曲线）并在同一坐标纸上描出此三条

曲线，讨论三种情况下的线性误差，灵敏度；

3. 用表格形式列出半导体应变片单臂电桥实验数据，在坐标纸上绘出金属箔式应变片单臂电桥

和半导体应变片单臂电桥情况下的输出特性曲线（X-V 曲线）并在同一坐标纸上描出此二条曲线，以便比较灵敏度，讨论这二种情况下的线性误差，灵敏度。 例：直流单臂电桥 1、 数据表

2、X-V 曲线

3、最大线性误差

%100⨯∆=

∙∠S

F MAX

V V ζ

式中∠ζ为非线性误差。

︱MAX V ∆︱输出值与理论直线的最大偏差绝对值。此处理论曲线取两端点的连线。S F V ∙满量程输出S F V ∙＝︱V H －V L ︱为上下限标称值之差的绝对值，此处下限VL ＝0所以S F V ∙＝VH 。 4、 灵敏度

该位移某一位移下的输出电压

灵敏度=

此处近似为输出特性曲线两端点连接直线的斜率。