川农传感器及检测技术实验报告

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，单臂电桥工作原理和性能。二、 实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15V、4V电源、万用表（自备）。三、 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：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组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，上面的应变片随弹性体形变被拉伸，对应为模块面板上的

2、R1、R3，下面的应变片随弹性体形变被压缩，对应为模块面板上的R2、R4。 图1-1 图1-2通过这些应变片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，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压Uo= 式1-1E为电桥电源电压，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=。四、 实验内容与步骤1、 图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。2、 从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接，输出

3、端Uo2接数显电压表（选择2V档），调节电位器Rw4，使电压表显示为0V。Rw4的位置确定后不能改动。关闭主控台电源。3、 将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw1，直流电源4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。4、 在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表1-1，关

4、闭电源。重量(g)020406080电压(mv)03.88.413.117.9原理现象描述：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组件，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，上面的应变片随弹性体形变被拉伸，对应为模块面板上的R1、R3，下面的应变片随弹性体形变被压缩，对应为模块面板上的R2、R4。由于是单臂电桥，只将R1，R2，R3,R4中其中一个应变片接入电路，

5、由理论分析知其输出电压为Uo= 。按上述实验要求步骤完成实验得到的实验数据如上表所示。 五、 实验报告 根据表11计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yF.S 100，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；yFS为满量程（200g）输出平均值。六、 注意事项加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、 实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、 实验仪器：同实验一三、 实验原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，

6、当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 Uo=EK/2 = 式2-1 E为电桥电源电压，式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。图2-1四、 实验内容与步骤1、 应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。2、 差动放大器调零，参考实验一步骤2。3、 按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。4、 在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，

7、使数显电压表显示10mV左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表，关闭电源。重量(g)020406080电压(mv)08.218.629.238.9 原理现象描述：半桥即为将不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，这样能够使电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，本实验中由于当两只应变片的阻值相同、应变数也相同，因此半桥的输出电压为Uo=EK/2 = 。 按上述实验要求步骤完成实验得到的实验数据如上表所示。 五、 实验报告根据计入表2-1的实验资料，计算灵敏度L=U/W，非线性误差f2 实验三 金属箔式应变片全桥性能实验

8、一、 实验目的：了解全桥测量电路的优点。二、 实验仪器：同实验一。三、 实验原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出 Uo=KE 式3-1 E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。图3-1四、 实验内容与步骤 1、应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。2、差动放大器调零，参考实验一步骤2。3、按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位器Rw1，直流电源4V（从主控台接入），电桥输

9、出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw1,使电压表显示为零。4、在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示0.020V左右，读取数显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表3-1，关闭电源。重量(g)020406080电压(mv)021406483 原理现象描述： 表31五、 实验报告根据记录表3-1的实验资料，计算灵敏度L=U/W，非线性误差f3六、 思考题比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 实验四 直流全桥的应用电子称实验一

10、、 实验目的：了解直流全桥的应用及电路的定标二、 实验仪器：同实验一三、 实验原理：电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。四、 实验内容与步骤1、 按实验三的步骤1、2、3接好线并将电路调零2、 将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（满量程时的增益），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。3、 拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为0.000V，再次调节Rw4调零。4、 重复2、3步骤的定标过程，直到精确为止，把电压量纲

11、改为重量量纲即可以称重。5、 将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入下表，关闭电源。重量(g)020406080电压(mv)020446286表4-1原理现象描述： 五、 实验报告根据计入表4-1的实验资料，计算灵敏度L=U/W，非线性误差f4实验五 交流全桥的应用振动测量实验一、 实验目的：了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法二、 实验仪器：振荡器、万用表（自备）、应变传感器模块、通信接口（包括采集卡及上位机软件）、振动源、三源板上的应变输出、应变输出专用连接线。三、 实验原理：将应变传感器模块电桥的直流电源E换成交流电源，则构成一个交流全桥，

12、其输出u=，用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。图5-1四、 实验内容与步骤：1、 不用模块上的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到三源板的“应变输出”。2、 将台面三源板上的应变输出用连接线接到应变传感器实验模块的黑色插座上。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。对角线的阻值为350，若二组对角线阻值均为350则接线正确（万用表测量）。3、 根据图5-1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，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

13、峰-峰值调节到Vp-p=10V（频率用频率/转速表监测，幅度用上位机监测）。4、 调节Rw1、Rw2使上位机采集到一条在零点的直线。5、 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）明显有振动。6、 低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率（用频率/转速表监测），用上位机软件读出频率改变时差动放大器输出调制波包络的电压峰峰值，填入下表f(Hz) 1415161718Vo(p-p)V0.220.982.181.000.34 表5-1原理现象描述：五、 实验报告 从表5-1的实验数据得出振动梁的自振频率答：由实验数易分析知振动梁的自振频率为16HZ。实验七

14、 差动变压器性能实验一、 实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性二、 实验仪器：差动变压器模块、测微头、通信接口、差动变压器、信号源、直流电源。三、 实验原理：差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。输出的变化反映了被测物体的移动量。四、 实验内容与步骤1、根据图7-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上 图7-12、将传感器引线插头插入实验模块的插座中，按图7-2接线（

15、1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出），音频信号由振荡器的“00”处输出，打开主控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用频率/转速表和上位机软件监视），使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V。图7-23、用通信接口的CH1观测差动变压器的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入下表71，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。五、 实验报告1、实验过程中注意差动变

16、压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表71画出Vop-pX曲线，作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性误差。表（71）差动变压器位移X值与输出电压数据表V(mv) 1006439124068104X(mm)-1.2-0.8-0.40+0.4+0.8+1.2原理现象描述：实验九 激励频率对差动变压器特性的影响实验一、 实验目的：了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响二、 实验仪器：同实验七三、 实验原理：差动变压器输出电压的有效值可以近似表示为： 式9-1 式9-1中Lp、Rp为初级线圈的电感和损耗电阻，Ui、为激励信号的电压和频率，M1、M2为初级与两次级线圈的互感系

17、数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，RP22LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2LP2RP2时输出Uo与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，影响系统的稳定性。四、 实验内容与步骤1、按照实验八安装传感器。开启主控如电源开关。2、选择音频信号的频率为1KHz，Vp-p=2V。（用频率/转速表和上位机软件监测）。3、用通信接口CH1观察，从振荡器的“00”输出，移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1 、Rw2使输出变得更小。4、旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置5mm处，有较大的输出。5、分别改变激励频率从1KHZ9KHZ，幅值不变，将测试

18、结果记入表91表91不同激励频率时输出电压的关系。F(Hz)1KHz2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHzV0(v)2.653.303.964.585.887.8011.206.024.40原理现象描述：五、 实验报告1、根据表9-1作出幅频特性曲线。实验十一 电容式传感器的位移特性实验一、 实验目的：了解电容传感器的结构及特点二、 实验仪器：电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源三、 实验原理：电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理： 11-1式

19、中，S为极板面积，d为极板间距离，0真空介电常数，r介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或r发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。 图11-1四、 实验内容与步骤1、按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传

20、感器引线插入实验模块插座中。图11-22、将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。3、接入15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0。4、旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表11-1X(mm) 00.20.40.60.81.01.21.41.61.8V(mv)14.715.115.716.216.717.317.818.418.919.36、 根据表11-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。 实验十三 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验一、 实验目的：了解

21、霍尔传感器的原理与应用。二、 实验仪器：霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。三、 实验原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为灵敏度系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度场中运动时，就可以用来进行位移测量。四、 实验内容与步骤1、将霍尔传感器按图13-1安装，传感器引线接到霍尔传感器模块的9芯航空插座。按图13-2接线。2、开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“1cm”处，手动调节测微头的位置，先使霍尔片大概在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw1使数显表显示为零。3、分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表X（mm）-1.4-1.2-1.0-0.8