现代检测技术实验一

1、实验一金属箔式应变片单臂电桥性能实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及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：AR/R=Ke O式中：AR/R为电H1线电阻相对变化，K为应变灵敏系数，E =A 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，通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥 的作用是完成电阻到电乐的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电fKUol=EKe仏。三、实验器材主机箱（4八+15V.电压表）、应变传感器实验模板.托

2、盘、舷码、万用表-导线等。应交片托盘图1应变式传感器安装示总图如图1,将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，应变式传感器（电子秤传感器）已安装在应变传感器实验模 板上。传感器左下角应变片为R1,右下角为R2,右上角为R3,左上角为R4。当传感器托盘支点受压时，R1、 R3阻值增加，R2、R4阻值减小。图2-2，应变传感器实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片。没有文字标记 的5个电阻是空的，其中4个组成电桥模型是为实脸者组成电桥方便而设的。传感器中4片应变片和加热电阻己 连接在实验模板左上方的R1、R2、R3、R4和加热器上。町用万用表进行测量判别，常态时应变片阻值为35OQ , 加热丝电阻

3、值为50Q左右。加热器6绷ft班丨貝a（?B1肛片AwItR接主 tRlSI5VR4抵si簽主机IS7VRw2 Rv3Rw43C4Vcfl916o oo应变传感器实验模板图2应变传感器实验模板、接线示意图图3单诗电桥工作原理图1、根据图3工作原理图、图2接线示意图安装接线。2、放大器输出调零将实脸模板上放人器的两输入端I】引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接（71 = 0）：调节 放大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈）：将主机箱电 压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关：调节实验模板放大器的调零电位器 RW4,使电压表展示为零。3、电桥调零调节实验

4、模板上的桥路平衡电位拆去放大器输入端I的短接线，将暂时脱开的引线复原 器RW1,使电压表显示为零.依次增加磁码和读取相应的数显 画出实验曲线4、应变片单臂电桥实验在应变传感器的托盘上放置一只磁码，读取数显表数值， 表值，直到200g （或500 g）祛码加完。实验结果填入表1,5、根据表2-1计算系统灵敏度S=AU/A W （AU为输出电压变化量，AW为重最变化S） 利非线性误差6。6 m/yFS X100%式中Am为输出值（多次测量时为平均值）4拟合直线的最大偏差：yFS为满最程输出平 均值，此处为200g （或500g）o实验完毕，关闭电源。6、利用虚拟仪器进行测量。五、实验结果实验结果记

5、录如卜表:巫量 伦020406080100120140160180200电乐 /mV05101520253035404550从实验数据町以看出电压和巫量呈线性关系，即：U = 0.25 （mV/g） * W绘制出电压与觅量的关系曲线如下图所示灵敏度S = = 025mV7g。因为实脸测得的电压完全与巫量呈线性关系，故Am = （b则非线性误差5 = 0o六、思考题单臂电桥匸作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片 正、 负应变片均可以。答：正、负应变片均可以，正负应变都会带来电阻值变化，进而使电压变化。实验三金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的了解全桥

6、测量电路的优点。二、基本原理全桥测量电路中，将受力方向柑同的两应变片接入电桥对边，反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值RI =R2=R3=R4.其变化tfLARl=AR2=AR3=AR4时，其桥路输出电压Uo3=KE 其输出灵敏度比半桥又提 高了一倍，非线性课差和温度谋差均得到改善。三、实验器材主机箱（4V、15V、电压表）、应变传感器实脸模板、托盘、磁码、万用表、导线等。1、根据图4工作原理图、图5接线示意图安装接线。2、差动放大器调零将实验模板上放大器的两输入端II引线暂时脱开，用导线将两输入【1短接（71 = 0）：调节放 大器的增益电位器RW3大约到中间位置（先逆时针旋到底，再顺时

7、针旋转2圈）；将主机箱电压 表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放人器的调零电位器RW4. 使电压表显示为零。3、电桥调零恢复实验模板上放人器的两输入H接线，调节实验模板上的桥路平衡电位器RW1,使主 机箱电压农显示为零。4、应变片全桥实验在应变传感器的托盘上放置一只帀去码，读取数显表数值，依次増加眩码和读取相应的数显 表值，直到200g （或500 g）磁码加完。5、计算讯敏度S=U/W,非线性课差5 实验完毕，关K电源。6、利用虚拟仪器进行测量。五.实验结果2,gs禅 托ft支点/+v加热s劝砂瓷伽加总traR21C1jI Aifi.主机箱-wRw2 Rw3& o

8、o实验结果记录如卜蕊o应变传感器实验模板图5应变传感器实脸模板、接线示总图jftm/g020406080100120140160180200电压/mV0113550627890101123136绘制出电压与巫量的关系曲线如下图所示利用垠小一乘法对曲线进行拟合得U = 0.68 W 3.95灵敏度S等于拟合直线的斜率，即S=0 68 mV/go 依次求各个测量值与拟合值的误差：Ami = I (0.68 xO-3.95) -0|mV = 3.95 mV, A = 1(0.68x20-3.95)- 11| mV = L35mV Amg = 1(0.68 X 40 -3.95) - 22| mV =

9、 125 mV Am4 = 1(0.68x 60 -3.95)- 351 mV = 1.85 mV Ams = 1(0.68 x 80- 3.95) - 50| mV = 0.45 mV AzMg = 1(0.68 X 100-3.95) - 62| mV = 2.05 mV 亦7 = 1(0.68 X 120- 3.95) 一 78| mV = 0,35 mV Amg = 1(0.68 X 140 - 3.95) - 90| mV = 1.25 mV A = I (0.68 X 160 - 3.95) - 101| mV = 3.85 mV Amio = 1(0.68 X 180 - 3.9

10、5) - 123| mV = 4.55 mV Amii = 1(0.68 X 200 一 3.95) - 136| mV = 3.95 mV 所以当w=180g,偏差最人，即Animax = 4.55mV,非线性课差4.5 55 = X 100% = X 100% = 3.345%yFS136六、思考题1、测最中当两组对边（如RK R3为对边）电阻值R相同时，即R1=R3 R2=R4,而R1#R2时是否町 以组成全桥：（1）呵以；（2）不可以。答：（2）町以，只要开始将电桥调零，就町以抵消电阻阻值不同造成的误差。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，如图6,能否如何利用

11、四片应变片组成电桥, 是否需要外加电阻。R*RiR1RaR2R2R3图6受拉力时应变式传感器圆周面展开图答：左侧的贴法在有拉力时，四个应变片的阻值变化趋势相同，组成电桥时电桥会始终平衡，所以无法测得拉 力，需要外加电阻才能实现拉力测量：右侧的贴法在有拉力时，心、的变化趋势相同，与尺3、尺4的变化趙势相反， 所以町以组成电桥实现拉力测量，无需外加电阻。3、金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较基本原理如图7 （a、（b）、（c）.比较单臂、半桥、全桥输出时的灵 敏度利非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原W，得出相应的结论。注意：比较实验中，（a）、（b）、（c）放 人电路的放人器増益必须相同

12、。(a)单臂(b)半桥图7应变电桥 单臂U0 =U1-U3=(Rl+ARl)/ (Rl+ARl 十 R2)-R4/(R3 十 R4) E=(d + ARl /RD / (1+AR1/R14-R2/R2) - (R4/R3) / O+R4/R3) E设 R1=R2=R3=R4,且Rl/RlVVl。U0a(l /4)(AR1 /R1)E所以电桥的电压灵敏度：S=UO/(AR1 /Rl)akE=(l /4)E 半桥U02(l / 2)(AR1 /R1)ES = (l /2)E 全桥UOaQRl /R1)ES=E4、金属箔式应变片的温度影响电阻应变片的温度影响主要有两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅

13、的线膨胀系数与弹性体(或被测试件)的线 膨胀系数不一致而产生附加应变。卅温度变化时，即使被测体受力状态不变，输出也会冇变化。 按照全桥件能实验步骤，将200g舷码放在舷码盘上，在数显农上读収数值叫 将主机箱中直流稳压电源+ 5V、地(丄)接于实验模板的加热器+ 6V、地(丄)插孔上，数分钟后待数显农电压显示基本稳定后，记卜读数従。(Upt-Uoi)即为温度变化的影响。 温度变化产生的相对误差：Uoz Uol 5= X 100%Uol如何消除金属箔式应变片温度影响？答：应用桥式电路，这样肖温度发生变化时，应变片的阻值变化ffl同，电桥仍然能平衡，所以桥式电路可以抑 制温漂。实验五差动变压器的性能

14、实验一、实验目的了解IS动变压器的工作原理和特性。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推列不同有二段式和三段式，本实验 采用三段式结构。当被测体移动时差动变压器的铁芯也随移轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促便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），引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动屋。三、实验器材主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。/樓主丽a音媒/ /M电4-5KHZ/支架g辞刁uRiiiisn2fUS播座C1Rwl a

15、 oRw22檢圭机|qi5v叱严Vp-p2V差动变压器实验模板图8差动变压器性能实验榄板、接线图1、按图8接线。将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，L1为初级线圈：L2、L3为次级线圈；*号为同名端.2、差动变压器的原边L1的激励电压从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调 节音频振荡器的频率为45KH2 （可用主机箱的频率表输入Fin來监测）：调节输出幅度峰峰值为Vp-p = 2V （可 用示波器监测：X轴为02ms/dw）。3、松开测微头的安装紧|时螺钉，移动测微头的安装套使差动变压器的次级输出（示波器第-通道）波形Vp-p为 较小值（变压器铁芯大约处

16、在小间位置人拧紧紧固螺钉，仔细调节测微头的微分筒使差动变压器的次级输出波形 Vp-p为最小值（零点残余电压），并定为位移的相对零点。这时町以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则牙个方向位移为负。4、从零点（次级输出波形Vp-p为绘小值）开始旋动测微头的微分筒，每隔0 2n】m （可取1025点）从示波器 上读岀输出电压Vp-p值，填入表3-1。一个方向结束后，再将测位头退回到零点反方向做相同的位移实验。从零点决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差 而引起位移误差实验时每点位移最须仔细调节，绝对不能调节过量而冋调，如过最则只好剔除这一点继续做

17、卜一 点实验或者回到零点頂新做实验。当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到次级输出波形Vp-p绘小 处时它的位移读数有变化（没有回到原來起始位S）,这是正常的。做实验时位移取相对变化量AX为定值，只要中 途测微头不回调就不会引起位移谋差。5、实验过程中注意差动变压器次级输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压根据表3-1画出Vop-p-X曲线, 作出位移为lnim、3mm时的灵敏度和非线性谋差。实验完毕，关闭电源。五.实验结果实验结果记录如卜表:X/mm-4 0-3 5-3.0-2.5-2.0-15-10-0 50Vopp/mV0 6250 555049904150.3560.283

18、02160 1420 073X/mm0.510152.0253 03.54 04 55,0Vop-p/mV0 14402180 2860 353041404970.55506220 6990 776绘制出Vop-p-X曲线如下图所示XX = 1mm时，AU = 0.218 - 0.073(F) = 0,145(V) AX = Inmu 故灵敏度AiZS = = 0.145 V/mm当X =-1mm时，AU = 0.216 - 0.073( U) = 0.143(V), AX= liiun.故灵敏度MJ$2 = = 0.143 V/mmZa A出X = 3mm时，AU = 0.497 -0.07

19、3(卩)= 0.424(V), AX=lmm,故灵敏度53 = = 0.424 卩/mm半X = -3min时，AU = 0.499 - 0.073( F) = 0426(V), AX= Imim 故灵敏度Al/54 = 0.426 卩/mm对X0所测得的几组数据进行线性拟介，得Vop-p=0 139+X+0 076,对XCO所测得的几组数据进行线牲拟合，得Vop-p-0 139*X+0 075,= IniniHjt AU = |0439* 1 +0.076-0218| nun = 0.003inm. yFS=5mim 故非线性误差为 bU 0.003久=丙=而50%“387%半X = -lm

20、m时.AU = |-0.139 * (-1) + 0.075 0216| mm = 0Q02mm, yFS=5mm故非线性误差为 0.002&=殛=翫50%=0.258%半X = 3mm时，AU = 10.139* 3 + 0.076-0.497| nun = 0.004innu yFS=5mm 故非线性课差为 AiZ 0.00463 =X 100% = 0.515%3 yFS 0.776当X = -3mm时，AU = |-0.139 * (-3) + 0.075 - 0.499| nun = 0.007nunr yFS=5mm,故非线性谋差为 hU 0.007六、思考题1用差动变压器测最振动

21、频率的上限受什么影响？答：受导线的集肤效应和铁损等的影响，若频率过人会导致灵敏度下降。2试分析差动变Hi器与一般电源变乐器的片同？ 答：相同点：利用电磁感应原理工作。不同点：差动变压器为开磁路，一、一-次侧间的互感随衔铁移动而变，且两个绕组按差动方式工作：一般变压器闭 合磁路 一、一次侧间的互感为常数。实验八差动变压器的应用一振动测量实验一、实验目的r解差动变用器测量振动的方法。二、基本原理由差动变压器性能实验基本原理可知.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、实验器材主机箱、差动变压器、2Rw2 差动3?压券实验申:、护曲劭 付血9S支梨圧帽I升彌 、升M杆

22、摆值 Wtt 入 F?9)HT!0移相器o AC DC3U/Vir H nO0圧 块相检波器：低通谑波器:Ti 5KHz(L Vo X I)0 OVo : ViV:A1a承:/;檢主S15V/ 0 15v+I5v差动变压器实验模板、移相器/相墩检波器/濾波器模板、ttuti源、示波器。图9差动变压器振动测量安装、接线图1、将差动变压器按图9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 乐器铁芯大约处于线圈的中心位置。2、按图接线，并调整好右关部分，调整如2（1）检

23、査接线无谋后.合上主机箱电源开关.用频率表、示波器监测咅频振荡器IV的频率和幅ffi.调节咅频振 荡器的频率、幅度旋钮，使Lv输出45KHZ、Vp-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福值为城小。（3）仔细调节差动变压器实脸模板的RW1和R W2 （交替调节）使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅（fi更小，基本为零点。（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个人位移）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，

24、整流波形消失变为一条接近零点线（否则再调节RW1利RW2）c（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。用示波器观察相敏检波器输出及低通滤波器输出波形。3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率，用示波器观察任通滤波器的输出，读出峰峰电压值，记下实验数据。4、根据实验结果作出梁的振幅频率特性曲线，指出自振频率的近似值，并与实验四使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，同样可得到振幅与电压峰峰fflVp-p曲线（定性）。6、注意爭项：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

25、源.五、实验结果测得的实验数据记录如下表:频率/Hz369121518212427Vp-p/V0 3890 5580 981 5310 430 2430 150 1120084振幅频率特性曲线如下图所示白然频率的近似值约为llHz六、思考题1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测S单元，测量线路该如何设计？答：由于输出为交流电，如果用直流电压表测则需要将交流电整流成直流，所以需要增加整流电路。2、利用差动变压器测量振动，在应用上冇些什么限制？答：震动阻尼太大，受磁芯磁滞限制，灵敏度不高不能测最高频震动.实验九电容式传感器的位移实验一、实验目的了解电容式传感器结构及其特点。基本原理利用电容C=e

26、 A/d的关系式，通过相应的结构和测量电路，叮以选择e、A、d三个参数中保持二个参数不变， 而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传 感器。本实验釆用的传感器为圆筒式变而积差动结构的电容式位移传感器，如图36所示：由二个圆筒和一个圆tt 组成。设圆筒的半径为R:圆柱的半径为门圆柱的长为X,则电容量为C=t：7ix /ln（R/r）.图中Cl、C2是差动连 接，当图中的圆柱产生AX位移时，电容量的变化量为SC=C1-C2= 2n2AX/ ln（R/r）,式中t庆、ln（R / r）为常 数，说明与位移AX成正比，配上配套测量电路就能测量位移。三、实验器材主机箱.电容传感器、电容传感器实验模板.测微头。图10电容传感器位移实脸原理图1、按图11将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Vol接主机箱电压表的Vino2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顾时传3圈）。3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到2 V档，合上主机箱电源开关；旋转测微头改变电容传感器的 动极板位盘使电压表显示0 V,再转动测微头（向同一个方向）5圈，记录此