电气测量实验指导2015

1、电气测量与检测技术实验指导电 气 工 程 及 自 动 化 学 院2015.4实 验 教 学 进 度 表周次星期节次实验名称学时数实验目的和要求实验类型11一第二大节实验一：2.4电容式传感器位移测量实验21、掌握电容式传感器测试电路连接方法、工作原理；2、掌握电容式传感器测试位移的方法。五第一大节实验二：2.1、2.3电阻式传感器电桥性能实验21、了解金属箔式电阻应变片的应变效应；2、观察金属箔式电阻应变片的结构及粘贴方式；3、掌握单臂、全桥工作原理和性能测试方法。12一第二大节实验三：2.5霍尔式传感器直流激励位移实验21、了解霍尔式传感器的工作原理；2、掌握霍尔式传感器直流激励特性测试方法

2、。五第一大节实验四：2.6电涡流传感器位移实验21、了解电涡流传感器结构及其特点；2、掌握电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。第1章 传感信号检测与转换实验箱说明书1.1实验箱的组成系统硬件主要由三部分构成：电源模块、传感信号检测转换调理模块、传感信号数字处理模块。三个模块各自分立，相互间通过信号线连接。1.2系统电源模块系统电源模块具体由传感信号检测转换调理模块供电电路和传感信号数字处理模块供电电路两部分构成。工作原理为交流变直流。为确保系统用电安全和模拟电路与数字电路两区域的完全的电气隔离，提高系统电路本身的抗电气干扰性能，采用了双绕组输出的单相隔离变压器。模拟电路模块供电直流稳压电源：

3、±15V，±5V。数字电路模块供电直流稳压电源；+5V，+3.3V1.3传感信号检测转换调理模块传感信号检测转换调理模块电气部分具体包括：霍尔传感器实验模板、电容传感器实验模板、温度传感器实验模板、电涡流传感器实验模板、应变片实验模板、以及三种不同性能与功能信号调理电路模板。具体布局见图1.1所示。 图1.1传感信号检测转换调理模块布局图1.3.1应变片实验模板应变片式传感器实验模板如图1.3.1所示。图1.3.1应变片式传感器实验模板实验模板中的R1、R2、R3、R4为金属箔式电阻应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设

4、，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。具体包括：应变片式单臂电桥连接电路、应变片式半桥连接电路、应变片式全桥连接电路。图中的实线表示电路连接线。本实验系统中4片金属箔式电阻应变片已安装在平行式悬臂梁上，如图1.3.1所示。左上角应变片为R1；右上角为R4；左下角为R2；右下角为R3。当传感器托盘支点受压时，R1、R4阻值增加，R2、R3阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为350。加热电阻也已安装在悬臂梁下面，加热丝电阻值为50左右。 此4片应变片已连接在应变片式传感器实验模板上方的R1、R2、R3、R4上。 图1.3.1金属箔式电阻应变片安装示意图1.3.2电容

5、传感器实验模板电容传感器实验模板如图1.3.2所示。电路由三部分构成：555多谐振荡电路、环形二极管充放电法测量电容电路、L型高低通滤波电路。电路后续输出端VO1接一级差动放大电路。图1.3.2电容传感器实验模板（1）环形二极管充放电法测量电容电路工作原理本实验系统中的电容传感器测量电路选用环形二极管充放电法测量电容电路。工作原理图如图1.3.3所示。555时基芯片构成多谐振荡电路，作为环形二极管充放电法测量电容电路的脉冲激励源。C3与L1构成无源L型高通滤波器； L2与C5构成无源L型低通滤波器。图1.3.3 环形二极管充放电法测量电容电路工作原理示意图环形二极管充放电法测量电容电路工作原理

6、：e为正半周时，方波由E1跃变到E2时，电容Cx1和CX2两端的电压皆由E1充电到E2。对电容Cx1充电的电流i1，对CX2充电的电流i3.。VD2、 VD4一直处于截止状态。在T1这段时间内由A点向C点流动的电荷量为 q1=CX2(E2-E1)；。e为负半周时，方波由E2返回到E1时，Cx1、CX2放电， 它们两端的电压由E2下降到E1，放电电流i2、 i4。在放电过程中(T2时间内)，VD1、VD3截止。在T2这段时间内由C点向A点流过的电荷量为q2=Cx1(E2-E1)。流过A、C支路的瞬时电流的平均值I为 ：E为方波的幅值，E=E2-E1。 I正比于Cx。 （2）电容传感器结构原理本实

7、验系统的电容传感器可以测量0±2.5mm的距离，传感器由两组定片和一组动片组成。结构示意图如图1.3.4所示：当动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。将上层定片与动片形成的电容定位Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当Cx1 和Cx2接入桥路作为相邻臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与动片的位移有关。图1.3.4圆筒式变面积差动结构电容传感器结构示意图（3）测微头的组成和读数方法电容传感器测试位移实验需要正确安装与使用测微头。测微头的结构组成和读数方法如图1.3.5所示：图1.3.5测微头结构组成与读数方法示意图测

8、微头组成： 测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。测微头读数与使用：测微头的安装套便于在支架座上固定安装，轴套上的主尺有两排刻度线，标有数字的是整毫米刻线(1格)，另一排是半毫米刻线(.格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(.格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移.毫米，这也叫测微头的分度值。测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值，注意半毫米刻线；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读110分度，如图1.3.5甲读数为.，不是.；遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的示值是

9、否过零，如图1.3.5乙已过零则读.；如图1.3.5丙未过零，则不应读为，读数应为.。测微头使用：测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。1.3.3霍尔传感器实验模板霍尔传感器实验模板如图1.3.6所示。图1.3.6霍尔传感器实验模板本实验系统中霍尔传感器安装位置与方法如图1.3.7所示：

10、图1.3.7霍尔传感器安装示意图霍尔传感器是利用霍尔效应，把相关测试量转换为电动势的变化。霍尔效应把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍尔元件或霍尔片。霍尔效应原理示意图如图1.3.8所示。图1.3.8 霍尔效应原理示意图一块N型半导体，长为l ，宽为 b ，厚度为h的，在半导体长度方向通以电流I，将其置于的磁感应强度为B的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作用，根据物理学知识:式中 q0 电子的电荷量；v半导体

11、中电子的运动速度； B磁场的磁感应强度FL方向如图1.3.8所示。在力FL的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内场EH ,即霍尔电场。此时霍尔电场EH两端之间的电位差UH 霍尔电势）为：霍尔常数 RH： 霍尔元件灵敏度（灵敏系数）KH ：所以霍尔电势与磁感应强度B和激励电流I成正比，与霍尔片厚度长反比。因而在实际应用中为了提高灵敏系数，霍尔元件常常制成薄片形状。霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成，如图1.3.9(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3

12、为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。 其等效电路和电路符号如图1.3.9(b)所示。霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。图1.3.9 霍尔元件结构外形、图形符号、基本测量电路示意图1.3.4信号调理电路模板本实验系统信号调理电路模板由三种类型电路、三个模块构成：（1）三运放高共模抑制比放大电路，也称为仪表放大器（精密放大器），如图1.3.16(a)所示。反向比例放大电路的作用主要是用于放大电路的输出调零。RW9为增益调节电位。RW10为调零电位器。（2）差分比例运算电路：

13、可把差动传感信号转换为单一的放大的电压信号输出。可有效地抑制共模干扰电压的影响。如图1.3.16 (b)所示。（3）模拟信号幅值衰减处理模块：如图1.3.16 (c)所示。此电路模块的主要作用是把幅值在±14之间的模拟传感器信号衰减变换为02.5V的信号范围，然后再提供给数字信号处理模块的信号输入端子，以进行传感信号的数字化显示处理。 (a) (b) (c)图1.3.16 信号调理电路模板第2章 基础型实验项目2.1 电阻应变片式传感器单桥性能实验2.1.1实验目的1、了解金属箔式电阻应变片的应变效应；2、观察金属箔式电阻应变片的结构及粘贴方式；3、掌握单桥工作原理和性能测试方法。2

14、.1.2实验原理电阻应变效应：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。描述电阻应变效应的关系式为： RRK 式中：RR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。金属箔式电阻应变片是通过光刻、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。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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。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R1R1、R2R2、R3R3、R4R4。对单桥输出电压近似值 Uo1= EK/

15、4。单桥、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。如图2.1所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单桥，其输出电压：Uo= （2.1.1）E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式2.1表明单桥输出为非线性，非线性误差为=。 图2.1.1单桥测试连接电路原理示意图2.1.3实验设备与元器件电阻应变式传感器实验摸板、电阻应变式传感器、信号调理电路模板、托盘、砝码、4位数显万用表2.1.4实验内容与步骤：1、按照图2.1.1所示直流单桥测试连接电路原理示意图进行电路接线。接线示意图如图2.1.2所示。图2.1.2单桥测试电路连接示意图2、放大器输出调零：将图2.1.2实验模板上放大器的两输入端口引

16、线暂时脱开，再用导线将两输入端短接(Vi0)；调节仪表放大器的增益电位器RW9大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；电压表的量程切换开关打到2V档，接通电源开关，调节实验模板放大器的调零电位器RW10，使电压表显示为零。3、应变片单桥实验：去除放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图2.1.2接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW7，使电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表2.1.1，并画出实验曲线。表2.1.1 单桥性能测试重量(g)电压(mv)

17、4、根据表2.1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。说明：=m/yFS ×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满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。2.3电阻应变片式传感器全桥性能实验2.3.1实验目的1、掌握全桥电路连接方法、工作原理和性能测试方法；2、了解全桥电路的优点；3、比较单桥、全桥三种电路的性能差异。2.3.2实验原理全桥电路是将电桥的四个桥臂电阻均接入电阻应变片，工作原理示意图如图2.3.1所示。全桥连接时要注意：对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。

18、当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压U03KE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。图2.3.1全桥测试连接电路原理示意图2.3.3实验设备与元器件电阻应变式传感器实验摸板、电阻应变式传感器、信号调理电路模板、托盘、砝码、4位数显万用表2.3.4实验内容与步骤：1、按照图2.3.1所示全桥测试连接电路原理示意图进行电路接线。接线示意图如图2.3.2所示。注意：为了接线图的清晰表达，图2.3.2中只绘制了部分接线，应将模板左上方 R1R4四个电阻，按全桥结构中所标识的受力示意，用实际导线将它们分别接入，构成实际的全桥测试电路。

19、图2.3.2全桥测试电路连接示意图2、放大器输出调零：将图2.3.2实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接(Vi0)；调节仪表放大器的增益电位器RW9大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；电压表的量程切换开关打到2V档，接通电源开关，调节实验模板放大器的调零电位器RW10，使电压表显示为零。3、应变片全桥实验：去除放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图2. 3.2接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器RW7，使电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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（或500 g）砝码

20、加完。记下实验结果填入表2.3.1，并画出实验曲线。计算灵敏度SUW，非线性误差=m/yFS ×100。表2.3.1全桥性能测试重量(g)电压(mv)2.3.5 思考题：1、测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1R3，R2R4，而R1R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。2、比较单臂、全桥三种电路的性能差异。三种电桥连接示意图如图2.3.3所示。根据其灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较，阐述理由。注意：实验2.1、2.2、2.3中的放大器增益必须设定相同。2.4电容式传感器位移测量实验2.4.1实验目的1、了解电容式传感器结构及其特点；2、掌握电

21、容式传感器测试电路连接方法、工作原理；3、掌握电容式传感器测试位移的方法。2.4.2实验原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容，如果不考虑边缘效应，其电容量求解表达式为：CAd。为电容极板间介质的介电常数；A为两平行极板所覆盖的面积；d为两平行极板之间的距离。当被测单数变化使得表达式中、A、d中三个参数发生变化时，则电容量C也随之变化。若要保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以实现将被测参数的变化转换为电容量的变化。本实验所采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图2.4.1所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；x为内、外电极重

22、叠部分的长度，则电容量为C=2pln(Rr)。图中C1、C2是差动连接，当图中重叠部分长度x发生变化，产生X位移时，电容量的变化量为：C=C1C2=2p2Xln(Rr)，式中、2p、ln(Rr)为常数，说明C与位移X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。本实验系统电容传感器测量电路由三部分构成：555多谐振荡电路、二极管双T型网络、LC滤波限幅电路。后续VO1接一级比例运算放大电路。具体工作原理见第1章3.2。图2.4.1 圆筒式变面积差动结构电容式位移传感器结构示意图2.4.3实验设备与元器件电容式传感器实验摸板、电容传感器、测微头、4位数显万用表2.4.4实验内容与步骤：1、将测微头与电容

23、式传感器正确安装在实验箱上对应的传感器支架上。测微头的使用见第1章3.2。连接电容传感器时要注意：一般两个静极片分别为“1”、“2”号引线，动极片为“3”号引线。将电容Cx1 和Cx2两个静片的连线分别插入电容传感器实验模板的Cin1 和Cin2两个插孔上，动极板连线插地插孔Cin3。安装与接线如图2.4.2所示。图2.4.2 电容式传感器测量位移电路连接示意图2、将实验模板上的Rw3调节到中间位置(方法：逆时针转到底再顺时传圈)。3、将电压表量程(显示选择)开关打到档，旋转测微头，改变电容传感器的动极板位置，使电压表显示 ，再转动测微头，改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与

24、输出电压值，将数据填入表2.4.1中，并作出实验曲线(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差)。 表2.4.1电容传感器位移测量X(mm) V(mv)4、 根据表2.4.1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差。2.4.5 思考题：什么是电容式传感器的边缘效应？它会对传感器的性能带来哪些不利影响？2.5霍尔式传感器直流激励位移实验2.5.1实验目的1、了解霍尔式传感器的工作原理；2、掌握霍尔式传感器直流激励特性测试方法。2.5.2实验原理根据霍尔效应（具体原理见第1章3.3），霍尔电势UHKHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质进行位移测量。本实验

25、霍尔式传感器直流激励位移测试电路的工作原理示意图如图2.5.1所示。图2.5.1霍尔式传感器直流激励位移测试电路示意图2.5.3实验设备与元器件霍尔传感器实验摸板、霍尔传感器、测微头、4位数显万用表2.5.4实验内容与步骤：1、将测微头与霍尔传感器正确安装在实验箱上对应的传感器支架上。安装与接线如图2.5.2所示。注意：霍尔传感器接线插座的“1”、“3”端为电源激励线，“2”、“4” 端为霍尔电势输出引线端。霍尔电势输出引线端可选择差动放大电路或仪表放大电路。图2.5.2 霍尔传感器(直流激励)位移实验接线示意图2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节RW1使数显表指示为零。3、以某个方向调节测微头2位移，记录电压表读数作为实验起始点；再反方向调节测微头每增加0.2mm记下一个读数(建议做4位移)，将读数填入表2.5.1。表2.5.1霍尔传感器位移测量X（mm）V(mv)4、作出VX曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。2.5.5 思考题：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？2.6电涡流传感器位移实验2.6.1实验目的1、了解电涡流传感器结构及其特点；2、掌握电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。2.6.2实验原理电涡流传感器的工作原理主要是依据电涡流