实验一应变片.docx

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实验一应变片

自动检测实验指导书

实验一电阻应变片性能测试及应用

一、实验目的：

1．观察了解应变片的结构及粘贴方式。

2．测试应变梁变形的应变输出，比较各桥路间的输出关系。

二、实验原理：

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。

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R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为△R1／R1、△R2／R2、△R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时，

；当二个应变片组成差动状态工作，则有

；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，

。

由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。

三、实验设备：

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码（每只约20g）、实验装置9000型（数显表、±15V电源、±4V电源）、万用表（自备）。

四、实验步骤：

（一）金属箔式应变片单臂电桥性能实验

1、观察应变片。

根据图1,应变式传感器已装于应变传感器模板上。

传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。

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，加热丝阻值约为50Ω左右。

图1应变式传感器安装示意图

2、实验模板放大电路调零，方法为:

①接入模板电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模板增益调节电位器Rw3顺时针调节到大致中间位置，②将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端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），完毕关闭主控箱电源。

3、参考图2接入传感器，将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂，它与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7在模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V（从主控箱引入），检查接线无误后，合上主控箱电源开关，先粗调节Rw1，再细调RW4使数显表显示为零。

图2应变式传感器单臂电桥实验接线图

4、在传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并读取相应的数显表数值，记下实验结果填入表1。

表1单臂测量时，输出电压与负载重量的关系：

5、根据表1计算系统灵敏度S：

S=ΔV/ΔW（ΔV为输出电压平均变化量；ΔW重量变化量），计算非线性误差：

δf1=Δm/yF·S×100%，式中Δm为输出电压值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大电压偏差量：

yF·S为满量程时电压输出平均值。

（二）金属箔式应变片半桥性能实验

1、保持实验

（一）的各旋钮位置不变。

2、根据图1-3接线，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，即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片。

接入桥路电源±4V，先粗调Rw1，再细调Rw4，使数显表指示为零。

注意保持增益不变。

图3应变式传感器半桥实验接线图

3、同实验

（一）4步骤，将实验数据记入表2，计算灵敏度S=ΔV/ΔW，非线性误差δf2。

若实验时数值变化很小或不变化，说明R2与R1为受力状态相同的两片应变片，应更换其中一片应变片。

表2半桥测量时，输出电压与负载重量的关系

（三）金属箔式应变片全桥性能实验

1、保持实验

（二）的各旋钮位置不变。

。

2、根据图4接线，将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥，注意受力状态不要接错调节零位旋钮Rw1，并细调Rw4使电压表指示为零，保持增益不变，逐一加上砝码。

将实验结果填入表3；进行灵敏度和非线性误差计算。

图4应变式传感器全桥实验接线图

表3全桥测量时,输出电压与负载重量的关系

根据实验

（一）、

（二）、（三）所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性误差，从理论上进行分析比较，阐述理由

五、注意事项：

1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。

2．接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。

3．实验

（一）、

（二）、（三）中的放大器增益必须相同。

六、思考题：

1．简述电阻应变式压力传感器的工作原理

2．单臂电桥时，作为桥臂的电阻应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片

（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。

3．半桥侧量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：

（1）对边？

（2）邻边的位置？

4．全桥测量中，当两组对边（R1、R3）电阻值相同时，即R1=R3,R2=R4,而R1≠R2时，是否可以组成全桥：

（1）可以,

（2）不可以。

实验二差动电容传感器的应用

实验人员要先观察系统的对称性：

将传感器的可动电极放到最左端和最右端，观察其输出电压。

如果不对称，则调节调零螺母，使其对称，让传感器工作于最大线性范围。

一、实验目的：

1.了解电容式传感器的结构。

2.了解电容式传感器的静态测量原理与方法。

3.了解电容式传感器的动态测量原理与方法。

（选做）

二、基本原理：

利用平板电容C=εA/d的关系,在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，就可使电容的容量（C）发生变化，通过相应的测量电路，将电容的变化量转换成相应的电压量,则可以制成多种电容传感器，如：

①变ε的湿度电容传感器。

②变d的电容式压力传感器。

③变A的电容式位移传感器。

本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器。

另：

利用电容式传感器动态响应好，灵敏度高等特点，可进行动态位移测量。

三、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板（移相/相敏检波/滤波模板、低通滤波模板）、测微头、双线示波器（选用），测量控制仪9000型（数显单元、直流稳压电源）。

四、实验步骤：

1、静态测量

（1）按图1将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

图1电容式传感器安装示意图

（2）将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图2。

图2电容式传感器实验接线图

（3）将电容传感器实验模板的输出端V01与数显电压表Vi相接，电压表量程置2V档，Rw调节到中间位置。

（4）接入±15V电源，将测微头旋至10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表指示最小，并将测量支架顶部的镙钉拧紧，旋动测微头，每间隔0.2mm记下输出电压值（V），填入表1。

将测微头回到10mm处，反向旋动测微头，重复实验过程。

表1电容式传感器位移与输出电压的关系

（5）根据表1数据计算电容传感器的灵敏度S和非线性误差δf，分析误差来源。

（6）本实验采用的是差动变面积式电容传感器，根据下面提供的电容传感器尺寸，计算在移动0.5mm时的电容变化量（△c）。

传感器外圆筒半径R=8mm，内圆筒半径r=7.25mm，当活动杆处于中间位置时，外圆与内圆覆盖部分长度L=16mm。

2、动态测量（选做）

（1）按图3-5安装传感器，并按图4-1接线。

实验模板输出端V01接低通滤波器输入端、低通滤波器输出端Ｖ。

接示波器一个通道（示波器Ｘ轴为20ms/div、Y轴示输出大小而变）。

调节传感器连接支架高度，使Ｖ01输出在零点附近。

（2）将低频信号接入振动源，振动频率选6～12Hz之间，幅度旋钮置最小。

（3）将±15V电源接到实验模板上，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮使振动台振动幅度适中，注意观察示波器上显示的波形。

（4）保持低频振荡器幅度旋钮不变，改变振动频率，从示波器上读出传感器实验模板输出电压Ｖ01峰－峰值。

（5）作出幅频特性曲线，考虑一下这条曲线是传感器的特性还是振动梁的特性?

五、思考题：

试设计一个利用ε的变化测谷物湿度的电容传感器？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

为了进一步提高电容传器的灵敏度，本实验用的传感器可作何改进？

附温控仪表操作说明

1、通电前检查接线正确无误，感温元件与仪表分度号一致，仪表通电5秒内显示窗先显示PV窗输出代码、SV窗先输出代码,后显示PV窗量程上限、SV量程下限,随后即进入工作状态,按SET键0.5秒SV显示窗闪烁,此时可改变设定值,再按SET键0.5秒确认,如需修改其它参数,必须按住SET键大于3秒,即进入B菜单,可按要求逐一修改内容（见操作流程表）,修改完毕再按SET键0.5秒若干下,退出B菜单,如15秒内无键按下（该窗内新设置的数据无效）自动进入新的工作状态。

2、在输入信号大于量程上限时,仪表显示,在输入信号小于量程下

限时,仪表显示。

3、当温度控制效果不够理想时,可以人工或自整定来改变PID参数。

操作方法如下：

①人工修正：

将仪表进入B菜单至Ｐ窗，再用键来修正P值，再按SET

键0.5S进入I窗，I、D、T的修正方法同上，然后再按SET键0.5S若干下返回正常工作状态，即开始新的PID参数。

②自整定修正：

将仪表进入B菜ATU窗后选择

（1）（选

0时为不自整定），选好按SET键确认后仪表即进入自整定状态，同时AT灯亮，待自

整定完成AT灯闪时再按SET键2秒确认后即按新的自整定PID参数工作。

用自整修

正PID值时应注意当负载为多段串联加热方式（如挤出机械），其中某段进入自整定

过程时，应注意保持前拍二段的温度不变,否则会影响自整定效果。

4、PID参数的设置原则:

P为比例带（加热侧）,如过冲大可加大比例带。

如希

升温快可减小比例带。

I为积分时间，如温度波动较大则加长积分，反之则减小积

分。

一般来说系统滞后现象越严重，积分时间越长。

D为微分时间，一般取积分时

间的（1/5~1/4）。

5、PID控制与位式控制功能的切方法：

若需把仪表切换成位式控制（常规仪表

出厂设置均为PID控制），正常工作状态仪表按住SET键3S以上进入B菜单后，再按

SET键0.5S若干下至P窗,把P设为0后按SET键若干下至T窗，把T设为1即进入位式

控制，其控温范围（切换差）可通过改变dP值来实现,位式控制时的dP值举例：

SV＝

100℃时，设dP=12.5℃,则实际输出控制范围为87.5~112.5℃。

若需返回至PID控

制时,把P、Ｔ、dP值还原即可。

PID控制适用于高精度控温场合,系统配置稳定合

理可达±1个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。

6、进入C菜单的设置方法：

（C菜单因仪表功能不同而有所不同;非专业人士

及无特殊情况下请勿进入C菜单）。

先进入B菜单的ATU窗后同时按住▲▼键0.5秒

至PV窗显示L，可设置量程下限；再按SET键0.5秒，PV窗显示H,可设置量程上限;按SET0.5秒，PV窗显示LP，LP=下冲限，常规值2~6；按SET0.5秒，PV窗显示L1，

在L1值内无开机及设定后默认值,常规6~10；按SET0.5秒，PV窗显示HL，在SV窗

选1或0，（选1时=AL1=上限报警，若选0时=AL2=下限报警）；按SET0.5秒，PV窗

显示A，在SV窗选1或0，选1时为绝对值报警（报警设定值=报警输出值），选0时=偏差值报警（主控值±报警设定值=报警输出值）；当测量值低于下限报警输出值时

ALM灯亮下限继电器吸合，高于上限报警输出值时ALM灯亮，上限继电器吸合；再按

SET0.5秒，PV窗显示I，I常规3~内大控制快；按SET0.5秒，PV窗显示E，E为抗干

扰等级，0=常规，1=加强，按SET0.5秒，PV窗显示P，P（30-100%）为输出最大

功率限制，按SET0.5秒即进入新的工作状态。

7、若控温失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。

按键不

起作用，请检查LCK键是否被锁定。

8、操作流程表

实验三热电偶测温性能实验

（请先仔细阅读P39温控仪表操作说明）

一、实验目的：

了解热电偶测量温度的原理与特性。

二、基本原理：

将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端（也称自由端），冷端可以是室温值也可以是经过补偿后的0℃、25℃的模拟温度场。

三、需用器件与单元：

K型、E型热电偶、温度源、温度控制仪表、温度控制测量仪（9000型）。

四、实验步骤：

1、将热电偶插到温度源两个传感器插孔中任意一个插孔中，（K型、E型已装在一个护套内），K型热电偶的自由端接到主控箱面板上温控部分的Ek端，用它作为标准传感器，配合温控仪表用于设定温度，注意识别引线标记，K型、E型及正极、负极不要接错（红+，黑—；蓝+，绿—）。

2、放大电路调零。

将R5、R6端接地，RW2大约置中，打开主控箱电源开关，将V02端与主控箱上数显电压表Vi端相接，调节Rw3使数显表显示零（电压表置200mv档），（Rw3调零；Rw2调放大倍数）

3、记录室温。

打开主控箱上温仪控开关，设定仪表控制温度值T=50℃，将温度源的两芯电源线插入主控箱温控部分的220V输出插座中。

4、将E型热电偶的自由端接入温度传感器实验模板上标有热电偶符号的a、b孔上，作为被测传感器用于实验，按图1接线，热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为正端,接入“a”点。

5、去掉R5、R6接地线，将a、b端与放大器R5、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度稳定在50℃时，记录下电压表读数值。

6、重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显电压表指示值与温控仪指示的温度值，并填入表1。

表1：

热电偶测温实验数据

6、根据表1计算非线性误差δ，灵敏度S。

7、将E型热电偶的自由端连线从实验模板上拆去并接到数显电压表的输入端（Vi）直接读取热电势值（电压表置200mv档），重复上述⑤过程，根据E型热电偶分度表查出温度值（加热源与室温之间的温差值）。

8、计算出加热源的温度，并与温控仪的显示值进行比较，试分析误差来源。

附：

热电偶分度表，请参阅实验软件光盘中的热电偶分度表内容。

五、思考题：

1、热电偶测量的是温差值还是摄氏温度值？

实验四热电阻测温特性实验

（请先仔细阅读P39温控仪表操作说明）

一、实验目的：

了解热电阻的测温原理与特性。

二、基本原理：

热电阻用于测温时利用了导体电阻率随温度变化这一特性，对于热电阻要求其材料电阻温度系数大，稳定性好、电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。

常用的有铂电阻和铜电阻，热电阻Rt与温度t的关系为：

Rt=R0（1+At+Bt2）

本实验采用的是Pt100铂电阻，它的R0=100Ω，At=3.9684×10-2/℃，Bt=5.847×10-7/℃2，

铂电阻采用三线连接法，其中一端接二根引线主要为了消除引线电阻对测量的影响。

三、需用器件与单元：

加热源、K型热电偶、Pt100铂热电阻、温度控制仪、

温度传感器实验模板。

四、实验步骤：

1、参照图1接线，拆去E型热电偶与R5、R6之间的联线。

图1热电阻测温实验接线图

2、将Pt100铂电阻的三根线分别接入温度实验模板上“Rt”输入端的a、b点，用万用表欧姆档测量Pt100三根线，其中短接的二根线接b点，另一端接a点（）。

这样Pt100与R3、R1、Rw1、R4组成一直流电桥，它是一种单臂电桥。

Rw1中心活动点与R6相接，Pt100的b点接R5。

3、加上±15V模块电源，将R5、R6端同时接地，接上电压表（2V档），调节Rw3使V02=0。

4、在“Rt”端点a与地之间加+2V或+4V直流电源，去掉R5、R6接地线并分别将“Rt”b中心点及Rw1相联，调节Rw1使电桥平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出电压为零。

（Rw1：

电桥调零）

5、将Pt100插入温度源的另一传感器插孔中，设定温控仪温度值为50℃，记录下电压表读数，重新设定温度值为50℃+n·Δt，建议Δt=5℃，n=1……10，每隔1n读出数显表指示的电压值与温度表指示的温度值，并将结果填入下表1。

表1热电阻测温实验数据

6、根据表1，计算其非线性误差δ及灵敏度S。

注：

这个测温实验中数显电压表指示的是室温与温度源的温差值所对应的实验模块输出电压值，因为根据上述第③步已将室温值显示为零。

①热电阻测温与热电偶测温有什么不同？

②如果要使电压表显示加热器的摄氏温度值，上述实验电路该如何调整？

需要补偿器吗？

实验三十六热电偶冷端温度补偿实验

（请先仔细阅读P39温控仪表操作说明）

一、实验目的：

了解热电偶冷（自由）端温度补偿的原理与方法。

二、基本原理：

根据实验三十五，热电偶是一种温差测量传感器。

为直接反映温度场的摄氏温度值，需对其自由端进行温度补偿。

热电偶冷端温度补偿的方法有：

冰水法、恒温槽法、自动补偿法、电桥法，常用的是电桥法（图11-2），它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端温度补偿器，补偿器电桥在0℃时达到平衡（亦有20℃平衡）。

当热电偶自由端（a、b）温度升高时（>0℃）热电偶回路的电势Uab下降，由于补偿器中PN结呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。

三、需用器件与单元：

温度传感器实验模板、热电偶、冷端温度补偿器、直流±15V、外接+5V电源适配器。

四、实验步骤：

1、按实验三十五①、⑦步操作。

2、将冷端温度补偿器（0℃）上的热电偶（E型）插入温度源另一插孔中，在补偿器④、③端加上补偿器电源+5V（用外接适配器），将冷端补偿器的①、②端接入数字电压表，重复50℃+n·Δt的加温过程，记录下数显表上的数据。

3、将上述数据与实验三十五中⑦的结果进行比较，分析补偿前后的两组数据，参照E型热电偶分度表，计算因补偿后使自由端温度下降而产生的温差值。

五、思考题：

上述的温差值代表什么含义？

自动检测技术设计性实验教学大纲

（时间：

第12周星期4第2大节地点：

I509）

实验名称：

振动测量实验

所属课程：

自动检测技术

实验类型：

设计性实验

实验类别：

基础□专业基础√专业□

实验学时：

课内2学时、课外2学时

一、实验目的

1．学会选择振动测量传感器，确定振动测量实验方案。

2.设计振动测量电路，在实验装置上搭建振动测量实验电路。

二、预习与参考

1.预习

1）复习霍尔式传感器、差动传感器的结构，掌握其工作原理；

2）预习传感器实验装置配套实验指导书中差动变压器特性及振动测量、霍尔传感器的应用实验。

2.参考资料：

1）自动检测技术相关教材；

2）传感器实验装置配套实验指导书。

三、设计指标

振动频率为1-20Hz，振动范围为5-10mm，在示波器和测试装置上显示所测振动值。

四、实验要求（设计要求）

1.设计一个振动测量的系统，画出测量原理框图。

（课外）

2.参照实验装置使用说明，设计振动测量系统各组成单元，画出测量单元接线图和电路图。

（课外）

3.测量单元接线图经实验老师检查合格后，方可在实验设备上接线实验。

4.改变振动频率和幅值，在数显表和示波器上观察测量值的变化并记录数据和波形。

五、实验（设计）仪器设备和材料清单

CSY2000SET9000实验装置、导线、示波器

六、实验设计及实施的指导

1.在所学的霍尔传感器、差动变压器等传感器中选择合适的传感器，设计实验原理图。

2．设计传感器及振动源、信号处理电路，信号处理电路主要包括放大电路、滤波电路、相敏检波电路。

3.根据所设计的信号处理电路，在传感器实验装置上选择合适信号处理模块，搭建信号检测及信号处理电路。

4.将系统接交流激励，调节测量电路，使低通滤波器输出电压正负对称。

5.保持适当低频振幅，用示波器观察输出波形。

进一步提高低频振幅，当波形出现顶部削顶时，说明输出进入饱和状态，已不再随振动量的增加而线性增加。

6.保持适当振幅，用示波器观察差动放大器和低通滤波器的波形。

用电压表读出振幅值。

七、实验成绩评定方法

实验成绩包括预习、设计能力、实验完成质量、实验报告质量4部分组成，各部分所占比例分别为20%、20%、30%、30%..

八、实验报告要求

实验报告格式：

一．实验名称

二．实验目的

三．实验原理

四．实验步骤

五．测试结果及分析

六．参考文献

九、思考题

1．分析测量误差产生的原因？

如何减小测量误差？

2．利用霍尔元件设计一个电子秤。

设计性实验参考一差动变压器的应用

一、实验目的：

了解差动变压器测量振动的方法。

二、基本原理：

与测量位移的原理相同。

三、需用器件与单元：

音频振荡器、低频振荡器、差动变压器实验模板、移相/相敏检波/滤波模板、数显单元、示波器、直流稳压电源，振动源（2000型）或振动测量控制仪（9000型）。

四、实验步骤：

1、将差动变压器按图3-5安装在振动台上，并用手按压振动台，不能使差动变压器的活动杆有卡死的现象，否则必须调整安装位置。

2、按图3-6接线，并按以下步骤操作：

（1）检查接线无误后，合上主控箱电源开关，用示波器观察音频振荡器Lv端的Vp-p值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vp-p=4V,频率调整在5KHz。

（2）用示波器观察相敏检波器的输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。

（3）仔细调节Rw1和Rw2使示波器（相敏检波输出）显示的波形幅值更小，基本为零。

（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的整流波形。

（5）松手后，整流波形消失变为一条接近零点的直线（否则再调节Rw1和Rw2）。

将低频振荡器信号接入振动源的输入端，调节振动幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振动较为明显，用示波器观察放大器、相敏检波器及低通滤波器的输出端波形。

3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（3Hz~20Hz），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（3-3）。

表3-3

F（Hz）

Vp-p（V）

4、根据实验结果作出振动梁的幅频特性曲线，指出梁的自振频率范围值，并与实验九用应变片测出的结果相比较。

5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，可得到梁的振动振幅值大小。

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。

五、思考题：

1、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？

2、如需确定梁的振动位移量（△y），还要增加哪一项实验？

参考图3-6，接入数显电压表，完成该项实验。

3、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅度，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受到什么影响？

设计性实验参考二交流激励时霍尔式位移传感器特性实验

（建议先做P65、P66的两项附加实验）

一、实验目的：

了解交流激励时霍尔式位移传感器的特性。

二、基本原理：

交流激励与直流激励时的霍尔式位移传感器的基本工作原

理相同，不同之处是测量电路。

三、需用器件与单元：

在实验十六基础上增加相敏检波/移相/滤波模板、

双线示波器。

四、实验