1、金属箔式应变片单臂电桥性能实验金属箔式应变片单臂电桥性能实验实验1 金属箔式应变片单臂电桥性能实验 一、实验目的: 1、了解金属箔式应变片的应变效应 2、单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理: 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: R,R,K 式中R,R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,=l/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。，对单臂电桥输出电压 U= EK/4。 o1三、
2、需用器件与单元: 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(自备)。 四、实验步骤: 1、根据图(1,1)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，R,R,R123,R,350，加热丝阻值为50左右 41 图1,1 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R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W3地短接，输出端与主控台面板
3、上数显表输入端V相连，调节实验模板上调零电位器R，使数显iW4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:当R、R的位置一旦确w3w4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R(即模板左上方的R)接入电桥作为一个桥臂与R、115R、R接成直流电桥(R、R、R模块内已接好)，接好电桥调零电位器R，接上桥路电源?67567W14V(从主控台引入)如图1,2所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节R，使数显W1表显示为零。 图1,2 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
4、表值，直到200g(或500 g)砝码加完。记下实验结果填入表1,1，关闭电源。 重量(g) 2 电压(mv) 5、根据表1,1计算系统灵敏度S,U/W(U输出电压变化量，W重量变化量)和非线性误差=m/y100,式中m为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:y?f1F.S FS满量程输出平均值，此处为200g(或500g)。 五、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、负应变片均可以。 3 实验2 金属箔式应变片半桥性能实验 一、实验目的: 1、半桥工作原理和性能。 2、比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 二、基
5、本原理: 不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U,EK,2。 O2三、需用器件与单元: 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(自备)。 四、实验步骤: 1、传感器安装同实验1。做实验1的步骤2，实验模板差动放大器调零。 2、根据图2,1接线。R、R为实验模板左上方的应变片，注意R应和R受力状态相反，即将传感1221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R进行桥路调零，实验步骤3、4同实验1中
6、4、5的步骤，将实验数据记W1入表2,1，计算灵敏度S,U,W，非线性误差。若实验时无数值显示说明R与R为相同受2f221力状态应变片，应更换另一个应变片。 4 图2,1应变式传感器半桥实验接线图表2,1半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量 电压 五、思考题: 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。 5 实验3 金属箔式应变片全桥性能实验 一、实验目的: 了解全桥测量电路的优点。 二、基本原理: 全桥测量电路中
7、，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值:R,R,R,R，1234其变化值R,R,R,R时，其桥路输出电压U,KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，123402非线性误差和温度误差均得到改善。 三、需用器件和单元: 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(自备)。 四、实验步骤: 1、传感器安装同实验一。 2、根据图3,1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1,3;进行灵敏度和非线性误差计算。 6 图3,1全桥性能实验接线图表3,1全桥输出电压与加负载重量值 重量 电压 五、思考题: 1、全桥测量中，当两组对边(R、R
8、为对边)电阻值R相同时，即R,R，R,R，而R?R时，13132412是否可以组成全桥:(1)可以(2)不可以。 2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。 F F R1 R1 R3 R3 R4 R2 R2 R4 F F 图3,2应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图 7 实验4 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 一、实验目的: 比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、实验步骤: 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度，从理论上进行分析比较。阐述理由(注意:实验
9、一、二、三中的放大器增益必须相同)。 8 实验5 直流全桥的应用电子秤实验 一、实验目的: 了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理: 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)改为重量纲(g)即成为一台原始电子秤。 三、需用器件与单元: 应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码 四、实验步骤: 1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图3,1全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位R，使数显表显示0.00V。 W12、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器R(增益即满量程调节)使数显表显示为W30.200V(
10、2V档测量)或,0.200V。 3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器R(零位调节)使数显表显示为0.0000V。 W44、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重。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5,1。 重量(g) 电压(mv) 6、根据上表，计算误差与非线性误差。 9 实验6 交流全桥的应用振动测量实验 一、实验目的: 了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。 二、基本原理: 对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从
11、示波器或用交流电压表读得。三、需用器件与单元: 音频振荡器、低频振荡器、万用表(自备)、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、双综示波器、振动源。 四、实验步骤: 1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。 2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连接线上每个插头的意义，对角线的阻值为350，若二组对角线阻值均为350则接法正确(万用表测量)。 3、根据图6,1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R、R、C、R为交流电桥调平衡网络。检查接8w1
12、w2线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度调节到10Vp-p(频率可用数显表Fin监测，幅度用示波器监测) 4、将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台(圆盘)明显感到振动。10 11 图6,1 应变片振动测量实验接线图5、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入数显单元的Fin，把数显表的切换开关打到频率档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出Vo的电压峰,峰值，填入表6,1。 12 f(Hz) Vo(p-p) 从实验数据得振动梁的自振频率为 HZ。五、思考题: 1、在交流电桥测量中，对音频振荡器频率和
13、被测梁振动频率之间有什么要求, 2、请归纳直流电桥和交流电桥的特点, 附移相器和相敏检波器电路原理图 图6,2 移相器电路原理图 图6,3 相敏检波器的电路原理图 13 实验7 差动变压器零点残余电压补偿实验 一、实验目的: 了解差动变压器零点残余电压补偿方法。 二、基本原理: 由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B,H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。称其为零点残余电压。 三、需用器件与单元: 音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。 四、实验步骤: 1、按图7,1接线，音
14、频信号源从L插口输出，实验模板R 、C 、R 、R为电桥单元中调平V11W1W2衡网络。 图7,1零点残余电压补偿电路 2、利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰,峰值。 3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。 4、依次调整R、R，使输出电压降至最小。 W1W25、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值(峰,峰值)。(注:这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压,V,K，K为放大倍数) 零点p-p14 五、思考题: 1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。 2、本实验也可用图7,2所示线路，请分析原理。 图7,2零
15、点残余电压补偿电路之二 15 实验8 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:利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。 三、需用器件与单元: 音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、测微头、数显单元、低频振荡器、振动源单元(台面上)、示波器、直流稳压电源。 四、实验步骤: 1、 将差动变压器按图8,1，安装在台面三源板的振动源单元上。 图8,1 差动变压器振动测量安装图 2、 按图8,2接线，并调整好有关部分，调整如下:(1)检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察L峰,峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop
16、-p=2V (2)利用示波器观察相敏检V波器输出，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R和RW1W2使示波器(相敏检小波器)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16 和R)激振源整流波形。 (5)松手，整流波形消失变为一条接近零点线。(否则再调节RW1W2接上低频振荡器，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Vo相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。 图8,2 差动变压器振动测量实验接线图 3、 保持低频振荡器的幅
17、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，填入下表8,1表8,1 f(Hz) Vp-p(V) 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，并与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，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线(定性)。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: 17 1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何,2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制, 实验9 电容式传感器
18、的位移实验 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,A,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、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(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9,1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C和C时，注意动极X1X2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
19、2号引线，动极板为3号引线。 2、 将电容传感器电容C和C的静片接线分别插入电容传感器实验模板C、C插孔上，动极板连12x1x2接地插孔(见图4,1)。 18 图9,1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V与数显表单元V相接(插入主控箱V孔)，Rw调节到中o1ii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，填入表9,1。 表9,1 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) V(mv) 5、 根据表9,1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差。 f五、思考题: 试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结
20、构,能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素,19 实验10 电容传感器动态特性实验 一、实验目的: 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。 二、基本原理: 利用电容传感器频率响应好，可以非接触测量等特点。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、低通滤波模板、数显单元、直流稳压电源、双线示波器。四、实验步骤: 1、 传感器安装图同实验9，按图9,1接线。实验模板输出端V接滤波器输入端、滤波器输出端o1V接示波器一个通道。调节传感器连接支架高度，使V输出在零点附近。oo12、 主控箱低频振荡器输出端与振动台激励源相接，振动频率选6,10H之间，幅度旋钮初始置0。Z3
21、、 输入?15V电源到实验模板，调节低频振荡器的频率与幅度旋钮取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，可以用数显表测频率(将低频振荡器输出端与数显Fin输入口相接，数显表波段开关选择频率档)。从示波器测出传感器输出的V峰,峰值。o1保持低频振荡器频率不变，改变幅度旋钮，测出传感器输出的V峰,峰值。o1思考题: 1、为了进一步提高电容传感器灵敏度，本实验用的传感器可作何改进设计。如何设计成所谓容栅传感器。 2、根据实验所提供的电容传感器尺寸，计算其电容量C和移动0.5mm时的变化量，(本实验O外圆半径R,8mm，内圆柱外半径r,7.2
22、5mm ，外圆筒与内圆筒覆盖部分长度l=16mm。20 ,电容传感器具有结构简单，灵敏度高、分辨力高(可达0.01mm甚至更高)动态响应好，可进行非接触测量等特点，它可以测量线位移、角位移，高频振动振幅，与电感式比较，电感式是接触测量，只能测低频振幅，电容传感器在测量压力、差压、液位、料位成分含量(如油、粮食中的水份)非金属涂层、油膜厚度等方面均有应用。目前半导体电容式压力传器已在国内外研制成功，正在走向工业化应用。 实验11 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验 一、实验目的: 了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理: 根据霍尔效应，霍尔电势U,KIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就
23、可以进行位移测量。HH三、需用器件与单元: 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。 四、实验步骤: 1、 将霍尔传感器按图11,1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图11,2进行。1、3为电源?4V，2、4为输出。 2、 开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节R使数显表指示为零。W121 图11,1 霍尔传感器安装示意图图11,2霍尔传感器位移直流激励实验接线图 3、 微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表11,1。表11,1 X(mm) V(mv) 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。 五、思考题:
24、本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化, 22 实验12 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 一、实验目的: 了解交流激励时霍尔式传感器的特性。 二、基本原理: 交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，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: 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元、相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。 四、实验步骤: 1、传感器安装同实验11，实验模板上连线见图12,1。 23 图12,1交流激励时霍尔传感器位移实验接线图2、调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv输出，用示波器测量使电压输出频率为1KHz，电压峰,峰值为接上
25、交流电源，激励电压从音频输出端L输出频率1KH，幅值为4V峰,峰值(注意电压过大VZ会烧坏霍尔元件)。 3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器R、R使显示为零。 W1W24、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表12,1。表12,1交流激励时输出电压和位移数据 X(mm) V(mv) 24 6、根据表12,1作出V,X曲线，计算
26、不同量程时的非线性误差。五、思考题: 利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制, 实验13 霍尔传感器应用电子秤实验 一、实验目的: 了解霍尔式传感器用于称重实验方法。 二、基本原理: 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。 三、需用器件与单元: 霍尔传感器实验模板、振动台、直流电源、砝码、数显单元。 四、实验步骤: 1、 传感器安装、线路接法与实验十六相同。 25 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R使数显表输出零。 W2、 在振动台
27、面上中间部位分别加砝码:20g、40g、60g、80g、100g，读出数显表上相应值，依次填4入表13,1。 表13,1 W(g) V(mv) 5、根据表13,1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。 六、思考题: 1、该电子称系统所加重量受到什么限制, 2、试分析本称重系统的误差。 实验14 压电式传感器测振动实验 一、实验目的: 了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理: 压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。(观察实验用压电加速度计结构)工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上
28、，由于压电效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元: 26 振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。双踪示波器。四、实验步骤: 1、 压电传感器已装在振动台面上。2、 将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。 图14,1 压电式传感器性能实验接线图 3、 将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图14,1，与传感器外壳相连的接线端接地，另一端接R。将压电传感器实验模板电路输出端V，接R。将压电传感器实验模板1o16电路输出端V，接入低通滤波器输入端Vi，低通滤波器输出V与示波器相连。0204、 合上主控箱电源
29、开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。5、 改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 6、 用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。 实验15 电涡流传感器位移特性实验 一、实验目的: 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理: 27 通过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。三、需用器件与单元: 电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。四、实验步骤: 1、根据图15,1安装电涡流传感器。 图8,1电涡流传感器安
30、装示意图 图15,1 电涡流传感器安装示意图 图15,2电涡流传感器位移实验接线图 2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。 3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。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。 28 相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有，15V的插孔中。 、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读一7个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表15,1。 表15,1电涡流传感器位移X与输出电压数据 X(mm) V(v) 8、根据表15,1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、3 mm及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，如何根据量程使用选用传感器。 29 实验16
