测试技术实验指导书要点.docx
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测试技术实验指导书要点
《测试技术》
实验指导书
武汉轻工大学机械工程学院
二○一七年九月
实验教学要求
CSY-10B传感器系统实验仪介绍
实验项目
实验一应变片单臂特性实验……………………………………………………12
实验二应变片半桥特性实验……………………………………………………20
实验三应变片全桥特性实验……………………………………………………21
实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验………………………………22
实验五应变片的温度影响实验………………………………………………23
实验六应变片温度补偿实验…………………………………………………24
实验七应变直流全桥的应用—电子秤实验…………………………………25
实验八移相器、相敏检波器实验……………………………………………27
实验九应变片交流全桥的应用（应变仪）—振动测量实验…………………31
实验十压阻式压力传感器的压力测量实验…………………………………33
实验十一电容式传感器的位移实验……………………………………………35
实验十二差动变压器的性能实验………………………………………………38
实验十三激励频率对差动变压器特性的影响实验……………………………42
实验十四差动变压器零点残余电压补偿实验…………………………………43
实验十五差动变压器测位移实验………………………………………………44
实验十六差动变压器振动测量实验……………………………………………46
实验十七电涡流传感器位移特性实验…………………………………………47
实验十八被测体材质对电涡流传感器特性影响实验…………………………51
实验十九电涡流传感器测振动实验……………………………………………52
实验二十压电式传感器测振动实验……………………………………………53
实验二十一热电偶的原理及现象实验………………………………………………57
实验二十二NTC热敏电阻温度特性实验…………………………………………59
实验二十三PN结温度传感器温度特性实验………………………………………62
实验二十四线性霍尔式传感器位移特性实验……………………………………65
实验二十五磁电式传感器特性实验………………………………………………68
实验二十六光电传感器测转速实验………………………………………………70
实验二十七光纤位移传感器测位移特性实验……………………………………71
实验二十八气敏传感器实验………………………………………………………74
实验二十九湿敏传感器实验………………………………………………………75
实验三十数据采集系统实验—静态采集举例…………………………………77
实验三十一数据采集系统实验—动态采集举例…………………………………79
实验教学要求
一、在实验教学的内容上分三大模块：
1.物理量测试实验（位移测量实验、转速测量实验等）
实验课堂学时：
2学时：
有多种选择如：
位移测量实验；可选实验十、十七、十八、二十四、二十七
转速测量实验：
可选实验二十六
2.传感器及其测试系统实验
实验课堂学时：
2学时。
：
应变片及其测试系统实验：
可选实验一至实验七。
3.振动测试及信号采集与分析实验
实验课堂学时：
2学时。
有如下选择：
计算机辅助测试系统实验：
可选实验十九、二十、二十五、三十一
以上为指定实验项目，此外还可做其他自选实验项目。
二、实验报告的要求及书写
对实验报告的要求：
实验报告是一种工程文件，是实验研究的产物。
报告的内容及书写质量的好坏，对实验的价值影响很大。
尽管实验是成功的，但是由于报告中结果、结论表达得不准确或不完整，甚至由于书写质量不好造成错误，则有损于实验的价值。
学生完成教学实验报告，虽然不是正式的工程技术文件，但是至少是一次作业，是为学生将来进行工程实验、科学研究书写实验报告打基础而做的练习。
因此在书写教学实验报告时，也应该按工程实验的要求进行训练。
具体要求是：
１．内容属实。
报告内容是实验的总结，因此结论要如实，数据要可靠。
２．语言要明确、简洁。
所谓“明确”就是书写报告时，要选用恰当的词语，组织通顺的句子明白、准确、简洁地表达实验的内容。
３．书写工整。
报告书写格式要正确。
错别字要尽量少，图表要符合规范。
最好采用统一规格的实验报告纸书写。
好的实验报告来自于认真的实验和精心的总结。
只有认真做好实验中的每一个步骤，获取正确的数据，再经过精心整理成文，才能达到要求。
实验报告的基本内容：
实验报告至少应包括以下一些基本内容
１、实验名称
２、实验目的
３、实验仪器和设备、实验对象
４、测试原理概述
５、测试过程
６、测试结果及分析、实验小结及体会，也可结合各实验的思考题来写
这些内容应根据具体实验情况来书写。
切忌不顾实际实验情况，抄几段实验指导书的内容补充几个数据敷衍了事。
对以上内容，在书写报告时应注意下面一些问题
实验名称不可任意简化。
因为有些实验的名称既有内容的含义，又有原理的含义。
如“压电式加速度计灵敏度的校准”简化为“加速度计的校准”就表达不出实验用的加速度计的结构和校准内容了。
实验目的是实验和书写报告的基础。
每次实验的目的都是很清楚明了的，实验中应紧紧围绕这个目的。
实验仪器与设备及实验对象根据实验中所用的，列出清单，应画出实验仪器和设备及实验对象的相互连接图，以进一步说明各台仪器和设备的用途。
测试过程不是实验步骤的简单罗列，而是用简洁的语言表达实验结果是怎样得到的。
测试结果可以用图、表、数字、文字及表达式等多种形式表达。
表达实验结果的数据、单位要准确，必要时应该对数据的整理方法、表达式的含义等做简要说明。
CSY-10B型传感器实验仪介绍
一、实验仪组成
CSY10B传感器实验仪：
主要由机壳、机头（传感器安装台）、显示面板、调理电路面板（传感器输出单元、传感器转换放大处理电路单元）等组成。
1、机壳：
机壳内部装有直流稳压电源、振荡信号板等。
2、机头（传感器安装平台）：
机头图
由悬臂双平行梁和振动台组成。
⑴、双平行梁（应变梁）：
在双平行梁的上、下梁片表面粘贴了应变片；封装了PN结、NTCRT热敏电阻、热电偶、加热器；在梁的自由端安装了压电传感器、激振器（磁钢、激振线圈）和测微头。
测微头：
调节测微头产生力或位移，做静态实验。
激振器：
激励双平行梁振动，做动态实验。
⑵、振动台：
在振动台周围安装了光电转速传感器、电涡流传感器、光纤传感器、差动变压器、压阻式压力传感器、电容式传感器、磁电式传感器、霍尔式传感器；在振动台的下方安装了激振器（磁钢、激振线圈）；在振动台的上方安装了测微头。
测微头：
调节测微头产生力或位移，做静态实验。
激振器：
激励振动台梁振动，做动态实验。
3、显示面板：
由主电源单元、电机控制单元、直流稳压电源单元、F／V表（电压表）单元、PC口单元、电流表（频率／转速表）单元、音频振荡器单元、低频振荡器单元、±15V电源单元等组成。
4、调理电路面板：
由传感器输出单元、副电源、电桥、差动放大器、电容变换器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等组成。
5、数据采集卡及处理软件：
详见三、V9.0数据采集卡及处理软件。
＊备注：
实验仪的具体配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。
二、主要技术参数、性能及说明
（一）、传感器（机头）部分：
1、电阻应变片：
电阻值350Ω左右；应变系数为2。
2、热电偶：
直流电阻10Ω左右（由两个串接而成）；分度号为T；冷端为环境温度。
3、热敏电阻：
NTC半导体热敏电阻；25℃时为10KΩ左右。
4、PN结温度传感器：
利用1N4148良好的温度线性电压特性；灵敏度为-2.1mV/℃。
5、压电加速度传感器：
由压电陶瓷片和铜质量块构成；电荷灵敏度为20pc/g。
6、光电转速传感器：
透射式光电耦合器（光电断续器）；TTL电平输出。
8、电涡流传感器：
直流电阻1Ω～2Ω；位移量程≥1mm。
9、光纤传感器：
由半圆双D分布的多模光纤和光电变换座构成；位移量程≥1mm。
10、差动变压器：
一个初级线圈、二个次级线圈（自感式）和铁芯构成；三个线圈直流电阻分
别为5Ω～10Ω；音频3KHz～5KHz、电压峰峰值为Vp-p＝2V激励；位移量程≥±4mm。
11、压阻式压力传感器：
Vs+—Vs-端直流电阻为4.7KΩ左右、Vo+—Vo-端直流电阻为7KΩ左右；4V直流电源供电；量程为20kPa。
12、电容式传感器：
由两组定片和一组动片构成差动变面积电容；量程≥±2mm。
13、磁电式传感器：
由线圈和动铁构成；直流电阻30Ω～40Ω；灵敏度为500mV/（m/s）。
14、霍尔式传感器：
霍尔片置于环形磁钢产生的梯度磁场中构成位移传感器；传感器激励端口直流电阻800Ω～1.5KΩ，输出端口直流电阻400Ω～600Ω；位移量程≥1mm。
15、气敏传感器：
酒精敏感型，TP-3集体半导体气敏传感器；测量范围50～500ppm。
16、湿敏传感器：
电阻型，阻值变化几MΩ～几KΩ；测量范围30％RH～90％RH。
17、激振线圈：
振动激振器，直流电阻30Ω～40Ω。
18、光电变换座：
由红外发射、接收管构成，是光纤传感器的组件之一。
19、其它：
25mm测微头、加热器；光源、光敏电阻、光敏二、三极管；硅光电池、光电开关。
＊备注：
传感器配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。
（二）、显示面板部分：
显示面板图
1、线性直流稳压电源：
⑴、±2V～±10V分五档步进调节输出，最大输出电流1A，纹波≤5mV。
⑵、±15V定电压输出，最大输出电流1A，纹波≤10mV。
2、显示表：
⑴、三位半数字直流电压表：
三档量程（200mV、2V、20V）切换，
精度±［（0.2％）＋2个字］。
⑴、三位半数字直流F/V（频率/电压）表：
五档（200mV、2V、20V、2KHz、20KHz）切换，
精度±［（0.2％）＋2个字］。
⑵、四位频率／转速数字表：
频率—转速切换，频率量程9999Hz，转速量程5000n／min。
⑵、三位半数字直流电流表：
四档量程（200mA、20mA、200μA、20μA）切换，
精度±［（0.2％）＋2个字］。
3、振荡信号：
⑴、音频振荡器：
频率0.4KHz～10KHz连续可调输出，幅度20Vp-p连续可调输出，二个输出相位0°（Lv）、180°，Lv端最大输出电流0.5A。
⑵、低频振荡器：
频率3Hz～30Hz连续可调输出，幅度20Vp-p连续可调输出，最大输出电
流0.5A。
4、PC接口：
最大允许输入电压DC±10V。
＊备注：
显示面板功能、配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。
（三）、调理电路面板：
调理电路面板图
1、传感器输出单元：
＊备注：
根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。
2、调理电路单元：
⑴、电桥：
由电桥模型、电桥调平衡网络组成。
组成直流电桥时作为应变片、热电阻的变换电路；组成交流电桥时作为调制器。
⑵、差动放大器：
可接成同相、反相、差分放大器。
通频带0～10KHz，增益1～101倍可调。
⑶、电容变换器：
差动式电容传感器的调理电路。
由高频振振荡器、放大器、二极管环形充放电电路组成。
⑷、电压放大器：
同相输入放大器。
通频带0～10KHz，幅度最大时增益约为6倍。
⑸、移相器：
移相范围≥20°，允许最大输入电压峰峰值为Vp-p＝10V。
在解调电路中用于补偿信号的相位。
⑹、相敏检波器：
由整形电路与电子开关电路构成的检波电路。
允许最大输入检波信号峰峰值为Vp-p＝10V，通频带0～10KHz。
⑺、电荷放大器：
电容反馈型放大器。
用于放大压电传感器的输出信号。
⑻、低通滤波器：
由50Hz的陷波器与低通RC滤波器构成。
转折频传35Hz左右。
⑼、涡流变换器：
涡流传感器的调理电路，涡流线圈是振荡电路中的电感元件之一为变频调幅式电路。
（四）、实验仪供电与尺寸：
供电：
AC220V50Hz功率0.2kW
实验仪尺寸为520×400×400（mm）。
三、V9.0数据采集卡及处理软件简介
（一）、数据采集卡及处理软件：
V9.0版
V9.0版数据采集卡是在原V8.0版基础上的一个升级版本，针对目前市售的传感器实验系统所配的采集卡动态范围太小，分辨率和精度过低的缺点，V9.0版采用了工业级的解决方案，达到了很高的测量精度和动态范围，接口部分采用RS-232/USB接口，方便用户的实际使用。
该采集卡能完全满足实验的要求。
具体技术指标如下：
1、接口标准：
RS-232或USB接口
2、A/D：
12位
3、通道数：
A、B通道
4、采样：
同步
5、采样频率：
100KHz（分档可选）
6、测量误差：
0.2mv
7、测量量程：
最大可达正负15V
8、支持电压、电流信号直接输入，无需配备转换器
9、操作环境：
windows98/2000/xp
10、应用软件：
CSY-V9.0数据采集与处理软件
（二）、虚拟仪器软件：
V9.0版
本软件是和V9.0采集卡配套使用，以RS-232/USB进行通讯，采用RS-232/USB标准协议，是一个高效、实时的数据采集系统。
该采集系统除了与本公司的CSY系列传感器实验仪配合使用外也可单独对外部信号进行采集（信号频率f≤1kHz）。
（三）、系统需求：
1、操作系统：
Windows98/2000/XP简体中文版
2、IntelPentiumⅢ500MHz或AMDAthlon700MHz以上
3、128M以上内存
4、只少400M以上硬盘空间供软件安装和备份
5、有RS-232/USB接口
6、4倍速以上的CD-ROM
（四）、该软件主要功能有以下几点：
1、软件按照公司实验指导书编写，大部分实验能用此数据采集软件进行实验操作。
2、软件采集设置可分单步采样、定时采样、双向采样、与动态采样。
在单步采样时可以以
最小二乘法与端点法分析其最大非线性误差或最大迟滞误差，在动态实验时可以分析其输入波形的频率、振幅或转速。
3、支持打印功能，能把实验结果在实验结束后即可打印出来。
4、采集卡硬件具有程控放大功能，在测量小电压时能有很高精度。
5、在数据采集时通讯速率在V8.0数据采集卡的基础上有很大提高
6、数据采集软件支持RS232/USB通讯。
7、支持差动输入功能。
8、支持双通道数据采样。
9、具有虚拟低频示波器功能，并能对波形进行简单频谱、失真度分析。
＊备注：
1、数据采集卡及处理软件不是CSY-10B系列传感器实验仪的配置项，是选配项，不是实验过程中所必需的。
2、数据采集卡选配内置式为单通道并且RS232通讯。
如要双通道、USB通讯则选配外置式。
软件使用方法参阅软件所附的手册或光盘。
实验一应变片单臂特性实验
一、实验目的：
了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。
1、应变片的电阻应变效应
所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。
以圆柱形导体为例：
设其长为：
L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得
（1—1）
当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。
对式（1—1）全微分得电阻变化率dR/R为：
（1—2）
式中：
dL/L为导体的轴向应变量εL;dr/r为导体的横向应变量εr
由材料力学得：
εL=-μεr （1—3）
式中：
μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5左右；负号表示两者的变化方向相反。
将式（1—3）代入式（1—2）得：
（1—4）
式（1—4）说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变（几何效应）和本身特有的导电性能（压阻效应）。
2、应变灵敏度
它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。
（1）、金属导体的应变灵敏度K：
主要取决于其几何效应；可取
（1—5）
其灵敏度系数为：
K=
金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。
金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。
（2）、半导体的应变灵敏度：
主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。
半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。
在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。
且不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。
也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。
半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，可正可负，与材料性质和应变方向有关，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。
3、贴片式应变片应用
在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。
一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。
＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。
4、箔式应变片的基本结构
应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝
或金属箔制成，如图1—1所示。
（a）丝式应变片 （b）箔式应变片
图1—1应变片结构图
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，与丝式应变片工作原理相同。
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。
5、测量电路
为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。
电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。
能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。
电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。
因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。
基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。
（a）单臂（b）半桥（c）全桥
图1—2应变片测量电路
（a）、单臂
Uo＝U①－U③
＝〔（R4＋△R4）／（R4＋△R4＋R3）－R1／（R1＋R2）〕E
＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。
则Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE
（b）、双臂（半桥）
同理:
Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE
（C）、全桥
同理:
Uo≈（△R／R）E＝KεE
6、箔式应变片单臂电桥实验原理图
图1—3应变片单臂电桥实验原理图
图中R1、R2、R3为350Ω固定电阻，R4为应变片；W1和r组成电桥调平衡网络，供桥电源直流±4V。
桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。
三、需用器件与单元：
机头中的应变梁的应变片、测微头；显示面板中的F/V表（或电压表）、±2V～±10V步进可调直流稳压电源；调理电路面板中传感器输出单元中的箔式应变片、调理电路单元中的电桥、差动放大器；4
位数显万用表（自备）。
四、需用器件与单元介绍：
1、图1—4调理电路面板中的电桥单元。
图中：
⑴菱形虚框为无实体的电桥模型（为实验者组桥参考而设，无其它实际意义）。
⑵R1=R2=R3=350Ω是固定电阻，为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻。
⑶W1电位器、r电阻为电桥直流调节平衡网络，W2电位器、C电容为电桥交流调节平衡网络。
图1—4电桥面板图
2、图1—5为差动放大器原理图与调理电路中的差动放大器单元面板图。
图1—5差动放大器原理与面板图
图中：
左图是原理图，A是差动输入的放大器；右图为面板图。
＊3、附：
测微头的组成与使用：
测微头组成和读数如下图1—6所示。
图1—6测位头组成与读数
测微头组成：
测微头由不可动部分中的安装套（应变梁的测微头无安装套）、轴套和可动部分中的测杆、微分筒、微调钮组成。
测微头读数与使用：
测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线（1ｍｍ／格），另一排是半毫米刻线（0.5ｍｍ／格）；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线（0.01ｍｍ／格）。
用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。
微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01毫米，这也叫测微头的分度值。
测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图1—6甲读数为3.678ｍｍ，不是
3.178ｍｍ；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是否过零，如图1—6乙已过零则读2.514ｍｍ；如图1—6丙未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为1.980ｍｍ。
测微头使用：
测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。
一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10ｍｍ处（为了保留测杆轴向前、后位移的余量），再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套（测微头整体移动）使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置（视具体实验而定）时再拧紧支架座上的紧固螺钉。
当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。
五、实验步骤：
1、在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用4
位数显万用表2kΩ电阻档测量所有
应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提梁的自由端）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况（标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片）。
如下图1—7所示。
图1—7
升级会员 