试验指导书内蒙古工业大学.docx
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试验指导书内蒙古工业大学
《测试技术》
实验指导书及报告
梅秀庄刘珍编
内蒙古工业大学机械学院测控系
实验注意事项
1、在实验前务必详细阅读实验指导书，做好预习工作。
2、严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主机箱的面板和实验模板面板。
3、请勿将主机箱的电源、信号源输出端与地（⊥）短接，因短接时间长易造成电路故障。
4、请勿将主机箱的电源引入实验模板时接错。
5、在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。
6、实验完毕后，请将传感器及实验模板放回原处。
7、如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。
8、实验接线时，要握住手柄插拔实验线，不能拉扯实验线。
实验一电容式传感器的位移特性实验01
实验二金属箔式应变片三种桥路性能比较03
实验三差动变压器的应用—振动测量实验07
实验四热电偶测温实验10
附录
附录1：
CSY－2000系列传感器与检测技术实验台说明书15
附录2：
调节仪简介17
附录3：
K型热电偶分度表21
实验一电容式传感器的位移特性实验
一、实验目的：
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理：
利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。
三、需用器件与单元：
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤：
1、按图1－1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。
不然得调换接头。
一般接线：
二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。
2、将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上，动极板连接地插孔（见图1－1）。
图1－1电容传感器位移实验接线图
3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。
4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入实验报告中的电容传感器位移与输出电压值表，并进行相关计算。
实验一电容式传感器的位移特性实验
——实验报告
一、实验目的及原理：
二、实验结果：
电容传感器位移与输出电压值
X（mm）
V（mv）
电容传感器的系统灵敏度S：
非线性误差δf：
三、实验结果分析及心得：
四、思考题：
如何改善单极式变极距型电容传感器的非线性？
实验二金属箔式应变片三种桥路性能比较
一、实验目的：
了解金属箔式应变片的应变效应，及单臂、半桥、全桥的工作原理和性能。
二、实验原理：
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，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR／R＝Kε，式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L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元件，通过它转换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，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Uo1=KEε/4；半桥的桥路输出电压UO2＝KEε／2；全桥的桥路输出电压U03＝KEε。
三、所用仪器与单元：
应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。
四、实验步骤：
4.1单臂电桥性能实验
1、根据图2－1应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。
传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
图2－1应变式传感器安装示意图
2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，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，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，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：
Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。
一直到做完实验为止）。
3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片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±4V（从主控台引入）如图2－2所示。
检查接线无误后，合上主控台电源开关。
调节RW1，使数显表显示为零。
图2－2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、在电子称上放置一只砝码，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500g）砝码加完，记下实验结果，并填入实验报告中的单臂电桥性能实验结果表中，最后关闭电源。
5、根据单臂电桥性能实验结果表，计算系统灵敏度S1＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：
yF·S为满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。
4.2半桥性能实验
6、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±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，然后按照步骤4、5进行实验，将实验数据记入实验报告中的半桥性能实验结果表中，并计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δf2。
若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。
4.3全桥性能实验
7、将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，构成全桥。
然后接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，然后按照步骤4、5进行实验，将实验数据记入全桥性能实验表，计算灵敏度S3＝U／W，非线性误差δf3。
五、注意事项：
在测试单臂、半桥、全桥性能时，差动放大器的增益必须相同。
实验二金属箔式应变片三种桥路性能比较
——实验报告
一、实验目的及原理：
二、实验结果：
1、单臂电桥性能实验结果
重量（g）
电压（mv）
系统灵敏度S1：
非线性误差δf1：
2、半桥性能实验结果
重量（g）
电压（mv）
系统灵敏度S2：
非线性误差δf2：
3、全桥性能实验结果
重量（g）
电压（mv）
系统灵敏度S3：
非线性误差δf3：
三、实验结果分析及心得：
四、回答问题：
1、根据实验所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较，并阐述理由。
2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：
（）
A、电桥测量原理上存在非线性
B、应变片应变效应是非线性
C、调零值不是真正为零
实验三差动变压器的应用—振动测量实验
一、实验目的：
了解差动变压器测量振动的方法。
二、基本原理：
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。
当传感器随着被测体移动时，由于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），就引出差动输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
当差动变压器的铁芯连接杆与被测体连接时就能检测到被测体的位移或振动。
三、需用器件与单元：
主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、振动源、示波器。
四、实验步骤：
1、将差动变压器按图3－1，卡在传感器安装支架的U型槽上，并拧紧差动变压器的夹紧螺母，调整传感器安装支架，使差动变压器的铁芯连杆与振动台中心点磁钢吸合，并拧紧传感器安装支架压紧螺帽，再调节升降杆使差动变压器铁芯大约处于线圈的中心位置。
2、按图3－1接线，并调整好有关部分，调整如下：
（1）检查接线无误后，合上主机箱电源开关，用频率表、示波器监测音频振荡器LV的频率和幅值，调节音频振荡器的频率、幅度旋钮使Lv输出4—5KHz、Vop-p=2V的激励电压。
（2）用示波器观察相敏检波器输出（图中低通滤波器输出中接的示波器改接到相敏检波器输出），调节升降杆（松开锁紧螺钉转动升降杆的铜套）的高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
（3）仔细调节差动变压器实验模板的RW1和RW2（交替调节）使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅值更小，基本为零点。
（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。
（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线（否则再调节RW1和RW2）。
（6）振动源的低频输入接上主机箱的低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。
用示波器观察放大器相敏检波器Vo及低通滤波器的Vo波形。
3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入表3－1。
4、根据实验结果作出梁的振幅—频率特性曲线，指出自振频率的大致值。
注意事项：
低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。
实验完毕，关闭电源。
图3－1 差动变压器振动测量安装、接线图
实验三差动变压器的应用—振动测量实验
——实验报告
一、实验目的及原理：
二、实验结果：
表3－1振荡频率与输出电压Vp-p的关系
Ｆ（Ｈｚ）
Vp-p（V）
画出振幅—频率特性曲线，并指出自振频率的大致值
二、实验结果分析及心得：
三、思考题：
传感器连接成差动式，有何优点？
实验四热电偶测温实验
一、实验目的：
了解热电偶测温原理、冷端温度补偿的原理与方法。
二、基本原理：
热电偶是利用热电效应来测量温度的，由不同材料构成的二种不同的导体首尾相连组成闭合回路，在热端和冷端存在温差，热电偶输出一定幅值的电动势，其幅值的大小与温差成正比。
因此，可以用测量的热电动势大小来衡量温度的大小。
国际上，将热电偶的A、B热电极材料不同分成若干分度号，如常用的Ｋ（镍铬-镍硅或镍铝）、Ｅ（镍铬-康铜）、Ｔ（铜-康铜）等等，并且有相应的分度（见附录3）表即参考端温度为０℃时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到相应的温度值。
热电偶测量的是热端与冷端之间的温度差，而它的冷端往往处于温度变化的环境当中，因此要进行冷端补偿，使测量结果准确。
热电偶冷端温度补偿可用公式法补偿，也可用冷端温度补偿器进行补偿。
冷端温度补偿器是在热电偶和放大电路之间，接入一个其中一个桥臂是PN结二极管（或Cu电阻）组成的直流电桥。
三、需用器件与单元：
主机箱、温度源、Pt100热电阻（温度源温度控制传感器）、Ｋ热电偶（温度特性实验传感器）、温度传感器实验模板、应变传感器实验模板（代mV发生器）、冷端温度补偿器、专用直流电源＋5V。
四、实验步骤：
热电偶使用说明：
热电偶由Ａ、Ｂ热电极材料及直径（偶丝直径）决定其测温范围，如Ｋ（镍铬-镍硅或镍铝）热电偶，偶丝直径3.2mm时测温范围０～1200℃，本实验用的Ｋ热电偶偶丝直径为0.5mm，测温范围０～800℃；Ｅ（镍铬-康铜），偶丝直径3.2mm时测温范围-200～+750℃，实验用的Ｅ热电偶偶丝直径为0.5mm，测温范围-200～+350℃。
由于温度源温度＜200℃，所以，所有热电偶实际测温范围＜200℃。
从热电偶的测温原理可知，热电偶测量的是测量端与参考端之间的温度差，必须保证参考端温度为０℃时才能正确测量测量端的温度，否则存在着参考端所处环境温度值误差。
热电偶的分度表（见附录3）是定义在热电偶的参考端（冷端）为０℃时热电偶输出的热电动势与热电偶测量端（热端）温度值的对应关系。
热电偶测温时要对参考端（冷端）进行修正（补偿），计算公式：
E（t,t0）=E（t,t0＇）+E（t0＇,t0）
式中：
E（t,t0）—热电偶测量端温度为ｔ，参考端温度为t0=０℃时的热电势值；
E（t,t0＇）—热电偶测量温度ｔ，参考端温度为t0＇不等于０℃时的热电势值；
E（t0＇,t0）—热电偶测量端温度为t0＇，参考端温度为t0=０℃时的热电势值。
例：
用一支分度号为Ｋ（镍铬-镍硅）热电偶测量温度源的温度，工作时的参考端温度（室温）t0＇=20℃，而测得热电偶输出的热电势（经过放大器放大的信号，假设放大器的增益ｋ=10）32.7mv，则E（t,t0＇）=32.7mV/10=3.27mV，那么热电偶测得温度源的温度是多少呢?
解：
由附录Ｋ热电偶分度表查得：
E（t0＇,t0）=E（20,0）=0.798mV
已测得E（t,t0＇）=32.7mV/10=3.27mV
故E（t,t0）=E（t,t0＇）+E（t0＇,t0）=3.27mV+0.798mV=4.068mV
热电偶测量温度源的温度可以从分度表中查出，与4.068mV所对应的温度是100℃。
1、在主机箱总电源、调节仪电源、温度源电源关闭的状态下，按图4－1所示接线。
图4－1K热电偶温度特性实验接线示意图
2、调节温度传感器实验模板放大器的增益Ｋ=30倍：
在图4－1中温度传感器实验模板上的放大器的二输入端引线暂时不要接入。
拿出应变传感器实验模板（实验一的模板），将应变传感器实验模板上的放大器输入端相连（短接），应变传感器实验模板上的±15Ｖ电源插孔与主机箱的±15Ｖ电源相应连接，合上主机箱电源开关（调节仪电源和温度源电源关闭）后调节应变传感器实验模板上的电位器RW4（调零电位器）使放大器输出一个较大的ｍV信号，如20mV（可用电压表2V档测量），再将这个20mV信号（Vi）输给图4－1中温度传感器实验模板的放大器输入端（单端输入：
上端接mV，下端接⊥）；用电压表（2V档）监测温度传感器实验模板中的Vo1，调节温度传感器实验模板中的RW2，使放大器输出Vo1=600mV，则放大器的增益Ｋ=Vo1／Vi=600/20=30倍。
注意：
增益Ｋ调节好后，千万不要触碰RW2增益电位器。
3、关闭主机箱电源，拆去应变传感器实验模板，恢复图4－1接线。
4、测量热电偶冷端温度并进行冷端温度补偿：
在温度源电源开关关闭（Ｏ为关，-为开）状态下，合上主机箱和调节仪电源开关并将调节仪控制方式（控制对象）开关按到内（温度）位置，记录调节仪PV窗的显示值（实验时的室温）即为热电偶冷端温度t0＇（工作时的参考端温度）；根据热电偶冷端温度t0＇查附录K热电偶分度表得到E（t0＇,t0），再根据E（t0＇,t0）进行冷端温度补偿-----调节温度传感器实验模板中的RW3（电平移动）使Vo2=E（t0＇,t0）*Ｋ=E（t0＇,t0）*30（用电压表2V档监测温度传感器实验模板中的Vo2）。
5、将主机箱上的转速调节旋钮（2—24V）顺时针转到底（24Ｖ），合上温度源电源开关，在室温基础上，可按Δt=5℃增加温度并且小于160℃范围内设定温度源温度值（调节仪的参数设定方法参阅附录二，部分参数值参照表2-1，其它值为默认），待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入实验报告中的表1。
表4-1调节仪的参数设置
参数
设置值
参数
设置值
参数
设置值
参数
设置值
dF
0.1
t
153
SC
00
CF
2
CtrL
1
Ct1
1
oP1
2
bAud
17
M50
300
Sn
21
oPL
0
dL
1
P
350
dIP
1
oPH
100
run
2
6、关闭所有电源。
7、采用冷端补偿器对温度进行测量。
冷端补偿器及原理图参见图4－2。
冷端补偿器外形为一个小方盒，有4个引线端子，4、3接+5V专用电源，2、1输出经室温（冷端温度）补偿后的热电势信号；它的内部是一个不平衡电桥（见图4－2原理图），通过调节Rw使桥路输出室温（冷端温度）时的热电势值，利用二极管的PN结特性自动补偿冷端温度的变化。
按图4－2示意接线。
将冷端补偿器的专用电源插头插到主机箱侧面的交流220Ｖ插座上。
8、在常温基础上，可按Δt=5℃增加温度并且小于160℃范围内设定温度源温度值，待温度源温度动态平衡时读取主机箱电压表的显示值并填入实验报告中的表2。
9、实验结束，关闭所有电源。
图4－2K热电偶冷端温度补偿实验接线示意图
实验四热电偶测温实验
——实验报告
一、实验目的及原理：
二、实验结果：
表1Ｋ热电偶热电势（经过放大器放大后的热电势）与温度数据
t（℃）
V（mv）
根据表1数据画出实验曲线并计算非线性误差【注：
实验数据V（mv）/k（增益）=E（t,t0）】
表2Ｋ热电偶经过冷端温度补偿放大器放大后的热电势与温度数据
t（℃）
V（mv）
根据表2数据画出实验曲线并计算非线性误差。
三、实验结果分析及心得：
四、思考题：
电偶冷端温度补偿可用公式法补偿，也可用冷端温度补偿器进行补偿。
两种方法有什么区别，实际应用时，一般选择哪一种方法为好?
附录
附录1：
CSY－2000系列传感器与检测技术实验台
说 明 书
一、实验台的组成
CSY－2000系列传感器与检测技术实验台由主机箱、温度源、转动源、振动源、传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等组成。
1、主机箱：
提供高稳定的±15V、±5V、±2V～±10V（步进可调）、＋2V～＋24V（连续可调）直流稳压电源；音频信号源（音频振荡器）1KHz～10KHz（连续可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz～30Hz（连续可调）；气压源0～20KPa（可调）；温度（转速）智能调节仪；计算机通信口；主机箱面板上装有电压、频率转速、气压、计时器数显表；漏电保护开关等。
其中，直流稳压电源、音频振荡器、低频振荡器都具有过载切断保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作。
2、振动源：
振动台振动频率1Hz～30Hz可调（谐振频率9Hz左右）。
转动源：
手动控制0～2400转／分；自动控制300～2400转／分。
温度源：
常温～180℃。
3、传感器：
基本型有电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式位移传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器（光电断续器）、集成温度（AD590）传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八个。
增强型：
基本型基础上可选配扭矩传感器、超声位移传感器、PSD位置传感器、CCD电荷耦合器件、光栅位移传感器、红外热释电传感器、红外夜视传感器、指纹传感器等。
4、实验模板：
基本型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／低通滤波共十块模板。
增强型增加与选配传感器配套的实验模板。
5、数据采集卡及处理软件，另附。
6、实验台：
尺寸为1600×800×750mm，实验台桌上预留了计算机及示波器安放位置。
二、电路原理
实验模板电路原理已印刷在模板的面板上，实验接线图参见文中的具体实验内容。
三、使用方法
1、开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档；电流表显示选择旋钮打到200mA档；步进可调直流稳压电源旋钮打到±2V档；其余旋钮都打到中间位置。
2、将AC220V电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。
3、做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。
4、合上调节仪（温度开关）电源开关，调节仪的PV显示测量值；SV显示设定值。
5、合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。
6、数据采集卡及处理软件使用方法另附说明。
四、仪器维护及故障排除
1、维护
⑴ 防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面。
⑵ 实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。
2、故障排除
⑴ 开机后数显表都无显示，应查AC220V电源有否接通；主机箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。
如都正常，则更换主机箱中主机电源。
⑵ 转动源不工作，则手动输入＋12V电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo有无电压，如无电压，更换主机箱中的转速控制板。
⑶ 振动源不工作，检查主机箱面板上的低频振荡器有无输出，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。
⑷ 温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。
如都正常，则更换温度源。
附录2
调节仪简介
主机箱中所装的调节仪为人工智能工业调节仪，它具有测量显示和模糊逻辑数字PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。
可以万能输入（通过设置输入规格可变为热电阻、热电偶、线性电压、线性电流等），输出有可控硅触发信号输出和线性电流输出（可设置为0—10mA或4—20mA线性电流）。
其实它是一只万能通用调节仪。
（一）调节仪面板说明：
面板上有PV测量显示窗、SV给定显示窗、4个指示灯窗和4个按键组成。
如图26—2所示。
图26—2调节仪面板图
面板中1、PV——测量值显示窗
2、SV——给定值显示窗
3、AT——自整定灯
4、ALM1——AL1动作时点亮对应的灯
5、ALM2——手动指示灯（兼程序运行指示灯）
6、OUT——调节控制输出指示灯
7、SET——功能键
8、◄——数据移位（兼手动／自动切换及参数设置进入）
9、▼——数据减少键（兼程序运行／暂停操作）
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