西安交通大学检测实验报告.docx

现代检测技术实验报告2015/11/20目录实验一 金属箔式应变片电子秤实验1实验二 霍尔传感器转速测量实验4实验三 光电传感器转速测量实验5实验四 E型热电偶测温实验7实验五 E型热电偶冷端温度补偿实验.10总结.12实验一 金属箔式应变片电子秤实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，直流全桥工作原理和性能，了解电路的定标。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 （1-1）式中 为电阻丝电阻相对变化；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组件。如图1-1所示，将四个金属箔应变片分别贴在双孔悬臂梁式弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。图1-1 双孔悬臂梁式称重传感器结构图图1-2 全桥面板接线图全桥测量电路中，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= （3-1）式中为电桥电源电压。为电阻丝电阻相对变化；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。电子称实验原理同全桥测量原理，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差动放大器调零。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短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）3按图1-2接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分生活委员别接入电桥的邻边。4将10只砝码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）。5拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零（调节电位器Rw4使电压表显示为0V）。6重复4、5步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg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，记下实验结果，填入下表。6去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。根据实验数据，求出重物的重量。五数据记录：重量/g20406080100120140160180200读数/V0.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1410.1610.1800.201对应图像：六结果及误差分析：1， 由图中可以发现SU/W=0.020kg/0.02V=1kg/V，零漂为0g。2， 电桥的非线性误差为f1=m/yF.S ×100,其中偏差值的最大值为1 g，故f1=0.5%。3， 可以组成全桥。误差分析：观察图像可以发现误差很小，图像在图中在物体输入重量为零时，偏移量也非常少，从20g加到120g的过程中，几乎没有误差。这与之前进行了仔细地调节有很大关系，经过多次调节，在放置10只砝码时准确达到0.2V，同时取掉砝码时，准确达到0V，这样便最大程度消除了零偏，使电压跟重量形成了精准的线性关系，后面几组数据误差很小，可能是由电路引起，也可能是砝码经多次使用，上面的附着物产生的。实验二 霍尔传感器转速测量实验一、实验目的：了解霍尔组件的应用测量转速。二、实验仪器：霍尔传感器、可调直流电源、转动源、频率/转速表。三、实验原理；利用霍尔效应表达式：UHKHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。四、实验内容与步骤1安装根据图3-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。图3-12将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。3打开实验台电源，选择不同电源+4V、+6V、+8V、+10V、12V（±6）、16V（±8）、20V（±10）、24V驱动转动源，可以观察到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应驱动电压下得到的转速值。也可用示波器观测霍尔元件输出的脉冲波形。五数据记录：电压(V)4681012162024转速(rpm)8001050135617652105280536004800五、实验报告1霍尔组件产生脉冲的原理：因为霍尔传感器本身是磁场和霍尔元件之间由于磁性交替变化二产生的脉冲信号变化。两者之间通常会设有遮光元件，能够在变化过程中间断的影响到两者之间的磁通量，有磁场照射霍尔元件导通，反之霍尔元件截止，不断的交替变化引起了脉冲的信号变化, 霍尔测速时，所长生的波形也就是脉冲电，只是随转速的改变频率发生了改变，频率变化越快证明转速越快。2 V-RPM曲线：实验三 光电传感器转速测量实验一、 实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、 实验仪器：转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、示波器三、 实验原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。四、 实验内容与步骤1光电传感器已安装在转动源上，如图4-1所示。+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“f/n”。2打开实验台电源开关，用不同的电源驱动转动源转动，记录不同驱动电压对应的转速，填入下表，同时可通过示波器观察光电传感器的输出波形。图4-1五数据记录：驱动电压V(V)4681012162024转速n(rpm)8201104139818952157280635004780六结果及分析：V-n曲线：较于霍尔元件测速，我们可以看到，光电传感器测速能够更加准确一些，因为光电传感器是基于穿过小孔的光来计算的，对外界的敏感度相对低一些，比较稳定。实验四 E型热电偶测温实验一、实验目的：了解E型热电偶的特性与应用二、实验仪器：智能调节仪、PT100、E型热电偶、温度源、温度传感器实验模块。三、实验原理：热电偶传感器的工作原理热电偶是一种使用最多的温度传感器，它的原理是基于1821年发现的塞贝克效应，即两种不同的导体或半导体A或B组成一个回路，其两端相互连接，只要两节点处的温度不同，一端温度为T，另一端温度为T0，则回路中就有电流产生，见图50-1（a），即回路中存在电动势，该电动势被称为热电势。 图5-1（a） 图5-1（b） 两种不同导体或半导体的组合被称为热电偶。当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势ET，其极性和量值与回路中的热电势一致，见图50-1（b），并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当ET较小时，热电势ET与温度差（T-T0）成正比，即 ET=SAB（T-T0） （1）SAB为塞贝克系数，又称为热电势率，它是热电偶的最重要的特征量，其符号和大小取决于热电极材料的相对特性。热电偶的基本定律：（1）均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不能产生热电势。（2）中间导体定律 用两种金属导体A，B组成热电偶测量时，在测温回路中必须通过连接导线接入仪表测量温差电势EAB（T，T0），而这些导体材料和热电偶导体A，B的材料往往并不相同。在这种引入了中间导体的情况下，回路中的温差电势是否发生变化呢？热电偶中间导体定律指出：在热电偶回路中，只要中间导体C两端温度相同，那么接入中间导体C对热电偶回路总热电势EAB（T，T0）没有影响。（3）中间温度定律 如图49-2所示，热电偶的两个结点温度为T1，T2时，热电势为EAB（T1，T2）；两结点温度为T2，T3时，热电势为EAB（T2，T3），那么当两结点温度为T1，T3时的热电势则为EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T3）=EAB（T1，T3） （2）式（2）就是中间温度定律的表达式。譬如：T1=100，T2=40，T3=0，则EAB（100，40）+EAB（40，0）=EAB（100，0） （3）图5-2热电偶的分度号热电偶的分度号是其分度表的代号（一般用大写字母S、R、B、K、E、J、T、N表示）。它是在热电偶的参考端为0的条件下，以列表的形式表示热电势与测量端温度的关系。四、实验内容与步骤1利用Pt100温度控制调节仪将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入E型热电偶温度传感器。2将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。3将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。图5-34拿掉短路线，按图5-3接线，并将E型热电偶的两根引线，热端（红色）接a，冷端（绿色）接b；记下模块输出Uo2的电压值。 5改变温度源的温度每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表五数据记录：T()50556065707580859095100105110115120Uo2（V）0.0520.0700.0800.0900.1010.1110.1210.1320.1430.1530.1640.1760.1870.1940.204六结果及误差分析：1 E型热电偶的温度的温度与输出电压呈线性关系，在50时误差较大，可能与初始状态未充分预热，实际温度滞后量较多有关。f1=m/yF.S ×100, m的最大值为0.060-0.052=0.008V，f1=3.9%2. 实验结果输出又 所以 实验五 热电偶冷端温度补偿实验一、实验目的：了解热电偶冷端温度补偿的原理和方法二、实验仪器：智能调节仪、PT100、E型热电偶、温度源、温度传感器实验模块三、实验原理：热电偶冷端温度补偿的方法有：冰水法、恒温槽法和电桥自动补偿法（图6-1），电桥自动补偿法常用，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端温度补偿器，补偿器电桥在0时达到平衡（亦有20平衡）。当热电偶自由端温度升高时(0)热电偶回路电势Uab下降，由于补偿器中，PN呈负温度系数，其正 图6-1向压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。 四、实验内容与步骤 图6-21选择智能调节仪的“输入选择”为“Pt100”，将温度传感器PT100接入“PT100输入”（同色的两根接线端接兰色，另一根接黑色插座），打开实验台总电源。并记下此时的实验室温度T2。25.42将温度控制在500C，在另一个温度传感器插孔中插入E型热电偶温度传感器。3将±15V直流稳压电源接入温度传感器实验模块中。温度传感器实验模块的输出Uo2接主控台直流电压表。4将温度传感器模块上差动放大器的输入端Ui短接，调节Rw3到最大位置，再调节电位器Rw4使直流电压表显示为零。5拿掉短路导线，按图6-2接线，并将E型热电偶的两个引线分别接入模块两端（红接a，蓝接b）；调节Rw1使温度传感器输出UO2电压值为AE2。（A45.5为差动放大器的放大倍数、E2为E型热电偶500C时对应输出电势）（）6变温度源的温度，每隔50C记下Uo2的输出值。直到温度升至1200C。并将实验结果填入下表五数据记录：T()50556065707580859095100105110115120Uo2（V）0.1460.1620.1780.1940.2100.2260.2420.2590.2750.2910.3080.3240.3400.3560.372六结果及误差分析：1根据实验数据，作出（UO2/A）-T曲线。并与分度表进行比较，分析电桥自动补偿法的补偿效果。由图像可以看到，电桥自动补偿法的线性关系十分好，误差很小，电路性能较之前有了显著提高。当热电偶自由端温度升高时回路电势Uab下降，由于补偿器中，PN呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，促使Uab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。 总结: 通过本次实验我们分别用应变传感器、霍尔传感器、光电传感器和温度传感器，对重量、转速等物理量进行了检测，了解了金属箔式应变片的应变效应，直流全桥工作原理和性能，热电偶冷端温度补偿的原理和方法。通过实验加强了对书中所学检测公式的理解和应用，直观地反映了检测的一些基本原理，通过各物理量的转换和对应关系，将一些比较难以直接测量和显示的物理量转化为电压等易测信号。实验过程中暴露了许多问题，搭接线路时某些细节的疏忽可能直接导致实验的失败，也从中学会了很多知识，对传感器在检测这门学科中的应用有了直观的了解和深入的感知。