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班级
01
所学专业
电气工程及其自动化
学号
姓名
同组人
1、实验目的:
了解金属箔式应变片的应变效应,单臂电桥工作原理和性能。
2、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:
式中
为电阻丝电阻的相对变化,
为应变灵敏系数,
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的受力状态变化,电桥的作用是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
O1
3、实验仪器及设备:
需用器件与单元:
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±
15V电源、±
4V电源、万用表(自备)。
4、实验内容及步骤:
根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。
传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。
加热丝也接于模块上,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。
2、接入模块电源±
15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,将实验模块调节增益电位器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Vo2与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连,调节实验模块上调零电位器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。
3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模块左上方的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)如图1-2所示。
在电子秤上放上托盘,检查接线无误后,合上主控箱电源开关。
调节Rw1,使数显表显示为零。
+4V
-4V
接主控箱
电源输出
图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图
接数显表
Vi地
加热
4、在电子秤上放置一只砝码,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。
记下实验结果填入表一,关闭电源。
5、根据表一计算系统灵敏度S,S=
(
输出电压变化量;
重量变化量)计算线性误差:
f1=
F•S×
100%,式中
为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:
F•S满量程输出平均值,此处为200g。
6、思考题:
单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:
(1)正(受拉)应变片
(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可。
5、实验数据记录、分析、处理及讨论:
表一单臂电桥输出电压与加负载重量值
重量(g)
电压(mv)
传感器及其检测技术
实验二、金属箔式应变片-半桥性能实验
2、实验目的:
比较半桥与单臂电桥的不同性能,了解其特点。
3、实验原理:
不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边,电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善。
当两片应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压Uo2=
。
4、实验仪器及设备:
5、实验内容及步骤:
接主控箱电源输出
接数显表
Vi地
图2-1应变式传感器半桥实验接线图
1、传感器安装同实验一。
做实验
(一)2的步骤,实验模块差动放大器调零。
2、根据图2-1接线。
R1、R2为实验模块左上方的应变片,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,实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤,将实验数据记入表二,计算灵敏度S=
,非线性误差
f2。
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。
1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在:
(1)对边
(2)邻边。
2、桥路(差动电桥)测量时存在非线性误差,是因为:
(1)电桥测量原理上存在非线性
(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。
6、实验数据记录、分析、处理及讨论:
表二半桥测量时,输出电压与加负载重量值
实验三、金属箔式应变片全桥的应用-电子秤实验
3、实验目的:
了解应变片直流全桥的应用及电路的标定。
4、实验原理:
电子秤实验原理为实验三全桥测量原理,通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。
5、实验仪器及设备:
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、±
4V电源。
6、实验内容及步骤:
1、按实验一中2的步骤将差动放大器调零:
按图1-4全桥接线,合上主控箱电源开关调节电桥平衡电位器Rw1,使数显表显示0.00V。
图1-4
2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上,调节电位器Rw3(增益即满量程调节),使数显表显示为0.200V(2V档测量)或-0.200V。
3、拿去托盘上的所有砝码,调节电位器Rw4(零位调节),使数显表显示为0.000V或-0.000V。
4、重复2、3步骤的标定过程,一直到精确为止,把电压量纲V改为重量量纲g,就可称重,成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上,填入下表:
6、根据上表计算误差与非线性误差。
7、实验数据记录、分析、处理及讨论:
实验四、金属箔式应变片温度影响的实验
4、实验目的:
了解温度对应变片测试系统的影响。
五、实验原理:
电阻应变片的温度影响,主要来自两个方面。
敏感栅丝的温度系数,应变栅线膨胀系数与弹性体(或被测试件)的线膨胀系数不一致会产生附加应变。
因此当温度变化时,在被测体受力状态不变时,输出会有变化。
6、实验仪器及设备:
应变传感器实验模块、数显表单元、直流源、加热器(已贴在应变片底部)
7、实验内容及步骤:
1、保持实验三实验结果。
2、将200g砝码加于砝码盘上,在数显表上读取某一整数Uo1。
3、将5V直流稳压电源(主控箱)接于实验模块的加热器插孔上,数分钟后待数显表电压显示基本稳定后,记下读数Uot,Uot–Uo1即为温度变化的影响。
计算这一温度变化产生的相对误差
8、实验数据记录、分析、处理及讨论:
1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法?
2、应变式传感器可否用于测量温度?
实验五、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、实验原理:
利用平板电容
和其他结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择
、A、d三个参数中,保持两个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(
变)、测微小位移(d变)和测量也为(A变)等多种电容传感器。
三、实验仪器及设备:
电容传感器、电容传感器实验模块、测微头、相敏检波、滤波模块、数显单元、直流稳压源。
四、实验内容及步骤:
1、按图5-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。
图5-1电容传感器安装示意图
2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模块,实验线路见图5-2。
接主控箱数显表
Vi
地
图5-2电容传感器位移实验接线图
3、将电容传感器实验模块的输出端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传感器动极板位置,每隔0.2mm(参考测量间隔)记下位移X与输出电压值,填入表4-1。
5、根据表5-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差
f。
试设计利用
的变化测谷物湿度的传感器原理及结构。
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素?
五、实验数据记录、分析、处理及讨论:
表5-1电容传感器位移与输出电压值
X(mm)
V(mv)
实验六、压阻式压力传感器的压力测量实验
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。
扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出P型或N型电阻条,接成电桥。
在压力作用下根据半导体的压阻效应,基片产生应力,电阻条的电阻率产生很大变化,引起电阻的变化,我们把这一变化引入测量电路,其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。
压力源(已在主控箱)、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模块、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±
4V、±
15V。
储气箱
压缩泵
220AC
K3
调气阀
快速接头
三通
压力传感器
显示单元
处理电路
低压端
高压端
主控箱内部
外接部分
流量计
单相阀
图6-1压阻式压力传感器测量系统
压力显示
1、根据图6-1连接管路和电路,主控箱内的气源部分,压缩泵、贮气箱、流量计已接好。
将硬管一端插入主控板上的气源快速插座中(注意管子拉出时请用手按住气源插座边缘往内压,则硬管可轻松拉出)。
另一端软导管与压力传感器接通。
这里选用的差压传感器两只气咀中,一只为高压咀,另一只为低压咀。
本实验模块连接见图2-2,压力传感器有4端:
3端接+4V电源,1端接地线,2端为Uo+,4端为Uo-。
1、2、3、4端顺序排列见图6-2。
端接线颜色通过观察传感器引脚号码判别。
2、实验模块上Rw2用于调节零位,Rw1可调节放大倍数,按图6-2接线,模块的放大器输出Vo2引到主控箱数显表的Vi插座。
将显示选择开关拨到20V档,反复调节Rw2(Rw1旋到满度的1/3,Rw3旋到满度的中间位置)使数显表显示为零。
正面
1234
高压咀
低压咀
图6-2压力传感器压力实验接线图
3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮,开通流量计。
4、合上主控箱上的气源开关,启动压缩泵,此时可看到流量计中的滚珠浮子向上浮起悬于玻璃管中。
5、逐步关小流量计旋钮,使标准压力表指示某一刻度。
6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮,使在5~20KP之间每上升1KP分别读取压力表读数,记下相应的数显表值列于表6-1。
7、计算本系统的灵敏度和非线性误差。
8、如果本实验装置要成为一个压力计,则必须对电路进行标定,方法如下:
输入10KPa气压,调节Rw2(低限调节)使数显表显示1.00V,当输入20KPa气压,调节Rw1(高限调节)使数显表显示2.00V,这个过程反复调节直到足够的精度即可。
表6-1压力传感器输出电压与输入压力值
P(KP)
VO(p-p)
实验七、霍尔式传感器的位移特性实验
2012.01.03
了解霍尔式传感器原理与应用。
根据霍尔效应、霍尔电势UH=KHIB,当霍尔元件处在梯度磁场中运动时,它就可以进行位移测量
霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±
15V、测微头、数显单元。
1、将霍尔传感器按图7-1安装。
霍尔传感器与实验模块的连接按图7-2进行。
1、3为电源±
4V,2、4为输出。
图7-1霍尔传感器安装示意图
霍尔元件
模块
测量架
测微头
磁钢
2、开启电源,调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置,Rw3旋到满度的中间位置,再调节Rw1使数显表指示为零。
主控箱
数显表
3
1
2
4
图7-2霍尔传感器位移直流激励接线图
连线插座编号
1、3为电源线
2、4为信号输出
3、旋转测微头向轴向方向推进,每转动0.2mm(参考测量间隔)记下一个读数,直到读数近似不变,将读数填入表7-1。
作出V-X曲线,计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
表7-1
实验八、霍尔式传感器的应用-电子秤实验
5、实验目的:
了解霍尔传感器用于称重实验的方法。
六、实验原理:
利用霍尔式位移传感器和振动台加载时悬臂梁产生位移,通过测位移来称重。
七、实验仪器及设备:
霍尔传感器实验模块、振动台、直流电源、砝码、数显单元。
八、实验内容及步骤:
传感器安装、线路接法与实验七相同。
2、在霍尔元件上加直流电压±
4V,数显表为2V档。
3、调节传感器连接支架高度,使传感器在磁钢中点位置(要求当振动台无重物时,调节传感器高度使它在线性段起点),调节Rw2使数显表输出为零。
4、在振动台面上中间部分分别加砝码:
20g、40g、60g、80g、100g,读出数显表上的相应值,依次填入表8-1。
5、根据表8-1计算该称重系统的灵敏度。
6、放上未知重物,读出数显表电压值。
7、计算出未知重物为g。
8、思考题:
1、该电子秤系统所加重量受到什么限制?
2、试分析本称重系统的误差。
九、实验数据记录、分析、处理及讨论:
表8-1
W(g)
实验九、电涡流传感器位移特性实验
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
通以高频电流的线圈产生磁场,当有导电体接近时,因导电体涡流效应产生涡流损耗,而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关,因此可以进行位移测量。
电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
图9-2电涡流传感器位移实验接线图
+15V
1、根据图9-1安装电涡流传感器。
图9-1电涡流传感器安装示意图
电涡流传感器
被测体
2、观察传感器结构,这是一个扁平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有Ti的插孔中,作为振荡器的一个元件(传感器屏蔽层接地)。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模块输出端Vo与数显单元输入Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
6、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触,开启主控箱电源开关,记下数显表读数,然后每隔0.2mm(参考测量间隔)读一个数,直到输出几乎不变为止。
将结果列入表9-1。
8、根据表9-1数据,画出V-X曲线,根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点,试计算量程为1mm、3mm、5mm时的灵敏度和线性度(可以用端基法或其它拟合直线)。
五、思考题:
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关,如果需要测量±
5mm的量程应如何设计传感器?
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时,如何根据使用量程选用传感器?
表9-1电涡流传感器位移X与输出电压数据
V(v)
实验十、被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验
6、实验目的:
了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。
涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关,因此不同的材料就会有不同的性能。
除与实验九相同外,另加铜和铝的被测体小圆片。
1、传感器安装与实验九相同。
2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。
3、重复实验九步骤,进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试,分别记入表10-1和表10-2。
4、根据表10-1和表10-2分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差(线性度)。
5、比较实验九和本实验所得的结果,并进行小结。
当被测体为非金属材料时,如何利用电涡流传感器进行测试?
表10-1被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据
表10-2被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据
实验十二、电涡流传感器的应用-电子秤实验
一、实验目的:
了解电涡流传感器用于称重量的原理与方法。
二、实验原理:
利用电涡流传感器位移特性和振动台受载时的线性位移,可以组合成一个称重测量系统。
三、实验仪器及设备:
电涡流传感器、电涡流传感器实验模块、直流源、数显表单元、振动台、砝码。
四、实验内容及步骤:
1、传感器按图12-1,安装在振动源模块的振动源上。
2、利用实验十中铝材料(铝测片)线性范围,调节传感器安装支架高度,使振动台面与探头之间距离为线性起点,并且使探头尽量远离振动台的中心磁钢,将线性段距离最近的一点作为零点记下此时数显表的读数。
3、在振动台上加砝码从20g起到200g,(砝码应尽量远离传感器)分别读取数显表读数,记入表12-1。
工作平台
振动平台
传感器
连桥板
图12-1电涡流电子称安装示意图
4、根据表8-4计算出该称重系统的灵敏度S,注意和前面作电子秤的实验比较,即可知梁的重复性能。
5、在振动台面上放置一未知物记下数显表的读数。
6、根据实验步骤5及4,计算出未知物重量。
7、思考题:
称重系统中常用的有:
利用杠杆平衡原理(天平)、弹性元件的应力变化、弹性元件的变形量(位移),还有利用其它原理的称重系统吗?
五、实验数据记录、分析、处理及讨论:
表12-1电涡流传感器称重时的电压与重量数据
实验十三、光纤传感器的位移特性实验
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
本实验采用的是导光型多模光纤,它由两束光纤混合组成Y型光纤,探头为半圆分布,一束光纤端部与光源相接发射光束,另一束端部与光电转换器相接接收
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