《工程测试技术》实验指导书.docx

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1、工程测试技术试验指导书目录试验一 电阻应变片的原理及应用3试验二 电容式传感器的原理及应用8试验三 光纤传感器原理及应用11试验四 光电和磁电传感器原理及应用14试验一 电阻应变片的原理及应用一、试验目的：21. 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。2. 比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。3. 了解全桥测量电路的优点。二、试验设备：双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、 5V 电源、差动放大器、电压放大器、万用表自备。三、试验原理： 单臂电桥试验电阻丝在外力作用下发生气械变形时，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DR = k e

2、1-1R式中DRR为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数； e =Dl 为电阻丝长度相对变化。l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 R1、R2、R3、R4分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。图 1-1 双杆式悬臂梁称重传感器构造图通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图 1-2 所示 R6=R7=R8=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压U= E DR / R1-20411D

3、RE 为电桥电源电压；+ 2 RL1DR式 1-2 说明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为= - 2 R 100%3图 1-2单臂电桥面板接线图 半桥性能试验不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图 1-3 所示。电桥输出灵敏度提高， 非线性得到改善，当两只应变片的阻值一样、应变数也一样时，半桥的输出电压为U= E k e= E DR1-3式中DRR0为电阻丝电阻相对变化；22Rk 为应变灵敏系数；e = Dl 为电阻丝长度相对变化。lE 为电桥电源电压。式 1-3 说明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。图 1-3半桥面板接线图全桥测量电路全桥测量电路中，将受力性质一样的两只应变片

4、接到电桥的对边，不同的接入邻边，如4图 1-4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出U= E DR1-40R式中 E 为电桥电源电压。 DRR为电阻丝电阻相对变化；式 1-4 说明，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 1-4 全桥面板接线图四、试验内容与步骤单臂电桥试验1. 悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的 R1、R2、R3、R4 上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。2. 按图 1-2 只接好“差动放大器”和“电压放大器”局部，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连， “电压放大器”输出端接数显电压表选择 200mV 档

5、，开启直流电源开关。将“差动放大器”增益电位器与“电压放大器”增益电位器调至最大位置顺时针最右边，调整调零电位器使电压表显示为0V。关闭直流开关电源。两个增益调整的位置确定后不能改动3. 按图 1-2 接好全部连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻如 R1接入电桥与R6、R7、R8 构成一个单臂直流电桥。电桥输出接到“差动放大器”的输入端，电压放大器的输出接数显电压表。预热五分钟。4. 加托盘后调整 Rw2 使电压表显示为零承受 200mV 档。5. 在应变传感器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 砝码加完，记录试验数据填入表 1-1。表 1-

6、15重量g电压(mv)半桥性能试验1. 应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图 1-1。2. 按图 1-3 接好“差动放大器”和“电压放大器电路”。“差动放大器”调零，参考试验A 步骤 2。3. 按图 1-3 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。4. 加托盘后电桥调零，参考试验步骤 4。5. 在应变传感器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 砝码加完，登记试验结果，填入表 1-2。重量g电压(mv)表 1-2全桥测量电路1. 应变传感器已安装在悬臂梁上，R1、R2、R3、R4 均为应变片，可参考图 1-1。2. 差动放大器

7、调零，参考试验步骤 2。3. 按图 1-4 接线，将受力相反一片受拉，一片受压的两对应变片分别接入电桥的邻边。4. 加托盘后电桥调零，参考试验步骤 4。5. 在应变传感器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 砝码加完，登记试验结果，填入下表。表 1-3重量g电压(mv)6. 试验完毕后，关闭试验台电源，整理好试验设备。五、试验报告单臂电桥试验1. 依据试验所得数据计算系统灵敏度S U/ W U 输出电压变化量， W 重量变化量2. 计算单臂电桥的非线性误差 f1= m/yF.S 100。式中 m 为输出值屡次测量时为平均值与拟合直线的最大偏差；y

8、FS 为满量程200g输出平均值。6半桥性能试验依据所得试验数据，计算灵敏度 S= U/ W 和半桥的非线性误差 f2。全桥测量电路依据试验数据，计算灵敏度 S= U/ W 和全桥的非线性误差 f3。六、思考题1、引起半桥测量时非线性误差的缘由是什么？2、全桥测量中，当两组对边R1、R3 为对边电阻值R 一样时，即R1R3，R2R4， 而 R1R2 时，是否可以组成全桥？七、留意事项试验所承受的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大称重传感器量程为 0.5kg，以免造成应变传感器的损坏！7试验二 电容式传感器的原理及应用一、试验目的1. 了解电容传感器的构造

9、及特点。2. 了解电容式传感器进展位移量测量的应用。3. 了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。二、试验仪器电容传感器、电容变换器、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套 、低通滤波器、信号源、频率/转速表、振动源、示波器。三、试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：C = eS =dee S0rd2-1式 2-1 中，S 为极板面积，d 为极板间距离，0 为真空介电常数， r 为介质相对介电常数，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 随之发生转变，如果保持其中两个

10、参数不变而仅转变另一参数，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：转变极间距离的变间隙式，转变极板面积的变面积式和转变介电常数的变介电常数式。这里承受变面积式，如图 2-1，两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。通过处理电路将电容的变化转换成电压变化，进展测量。图 2-1 电容传感器内部构造示意图四、试验内容与步骤 电容式传感器进展位移量测量的试验步骤1. 按图 2-2 安装好电容传感器，并将电容传感器引出线与“电容插座”相连接。2. 将底面板上“电

11、容传感器”与“电容变换器”相连， “电容变换器”的输出接到数显8直流电压表，如图 2-3 所示。注：此处应选用三根一样长度的试验导线 3翻开直流电源开关。将电容传感器的下极板调至中间位置，调整电容变换器的增益调节旋钮，使得数显直流电压表显示为 0选择 2V 档。增益调整电位器确定后不能改动 4旋动测微头推动电容传感器的中间极板下极板，左右各移动 1cm,每隔 0.2mm 登记位移量 X 与输出电压值 V 的变化，填入下表 2-1。表 2-1X(mm)V(mV)图 2-2电容传感器安装示意图图 2-3电容传感器连接图 电容传感器的动态性能的测量试验步骤1. 将电容传感器安装到升降架的悬臂梁上，传

12、感器引线接入“电容”插座。如图 2-4， 将底面板上“电容传感器”与“电容变换器”相连注：选用三根一样长度的试验导线。将“电容变换器”的输出端接“低通滤波器”的输入端， “低通滤波器”输出端接示波器。增益调整调到最大位置顺时针旋到底 ，通过“紧定旋钮”使电容传感器的动极板处于中间位置，使电压表显示为零。2. 将信号源Us2 接到“振动源输入”，Us2 频率选“10-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。3. 检查接线无误后，翻开直流电源，调整Us2 鼓舞信号的幅度，用示波器观看“电容变9换器”输出波形。将幅度调至 Vp-p 为 8V。图 2-4电容传感器动态试验接线图4. 保持 Us2 的幅度旋

13、钮不变，转变振动频率用数显频率计监测，用示波器测出 Uo 输出的峰-峰值。填入下表。表 2-2振动频率HZVp-p(V)五、试验报告f1、依据表 2-1 的数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差 。2、分析差动电容传感器测量振动的波形，作 F-Vp-p 曲线，找出振动源的固有频率。六、留意事项当频率较小时，振动幅度较小，输出波形毛剌较为严峻毛剌为机械振动产生，试验频率可从 10Hz 左右开头，试验现像较为明显。10试验三 光纤传感器原理及应用一、试验目的1. 了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。2. 了解光纤位移传感器用于测转速的方法。二、试验仪器Y 型光纤传感器、测微头、反射面、

14、差动放大器、电压放大器、数显电压表 频率/转速表、转动源、示波器。三、试验原理反射式光纤位移传感器试验反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图 3-1 所示，光纤承受型构造，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最终由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体外表的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射外表位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。明显，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强

15、渐渐增加， 到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。 反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化在小位移范围内 等优点，可在小位移范围内进展高速位移检测。图 3-1 反射式光纤位移传感器原理图 3-2光纤位移传感器安装示意图11光纤传感器的测速试验利用光纤位移传感器探头对旋转被测物反射光的明显变化产生电脉冲， 经电路处理即可测量转速。四、试验内容与步骤反射式光纤位移传感器试验1. 光纤传感器的安装如图3-2 所示，将 Y 型光纤结合处安装在传感器固定支架上，光纤分叉两端插入“光纤插座”中。探头对准镀铬反射板铁质材料圆盘，固定在测微头上。按图 3-3 接线，电压放

16、大器的输出接直流电压表。2. 将测微头起始位置调到 10cm 处，手动使反射面与光纤探头端面严密接触，固定测微头。3. 将“差动变压器”与“电压放大器”的增益调整旋钮调到中间位置。翻开直流电源开关。4. 将“电压放大器”输出端接到直流电压表 20V 档，认真调整调零电位器使电压表显示为零。5. 旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔 0.1mm 读出一次输出电压 值，填入下表 3-1表 3-1XmmU0(V)图 3-3光纤位移传感器接线图光纤传感器的测速试验1. 将光纤传感器安装在传感器升降架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头距离反射点 1mm 左右在光纤传感器的线性区域内。

17、接线如图 4-3 所示。122. 用手拨动转盘，使探头避开反射面对集合避开产生暗电流， “电压放大器”的输出端接到直流电压表输入。调整调零电位器使直流电压表显示为零。调零电位器确定后不能改动 。3. 将电压放大器输出端接到频率/转速表的输入“f /n”。4. 翻开直流电源开关，将024V 可调直流稳压电源分别接至“转动源输入”和“直流电压表” ，转变电压，可以观看到转动源转速的变化，待转速稳定后记录相应的转速稳定时间约 1 分钟。也可用示波器观测电压放大器输出的波形。并将数据填入下表：表 4-2驱动电压V+6V+8V+10V+12V+14V+16V+18V+20V转速 nrpm五、试验报告1.

18、 依据所得的试验数据，确定光纤位移传感器大致的线性范围，并给出其灵敏度和非线性误差。2. 分析光纤传感器测量转速原理，依据记录的驱动电压和转速，作 V-n 曲线。六、留意事项光纤请勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤其要留意保护，否则会光通量损耗加大造成灵敏度下降。13试验四：光电和磁电传感器原理及应用一、试验目的1. 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。2. 了解磁电式传感器的原理及应用。二、试验仪器1. 转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、示波器2. 转动源、磁电感应传感器、024V 直流电源、频率/转速表、示波器三、试验原理1. 光电传感器试验原理：光电式转速传感器有反

19、射型和透射型二种，本试验装置是透射型的，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。2. 磁电传感器试验原理磁电感应式传感器是以电磁感应原理为根底，依据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即e = dj =W dFdtdt其中 W 是线圈匝数， 为线圈所包围的磁通量本试验中当永磁磁钢接近传感器时，磁通量增加，反之，减小。假设线圈相对磁场运动速度为 v 或角速度 ，则上式可改为e =WBlv或 e = W Bw

20、Se=-WBS ，l 为每匝线圈的平均长度；B 为线圈所在磁场的磁感应强度；S 为每匝线圈的平均截面积。四、试验内容与步骤1. 光电传感器试验内容与步骤：o1o1如图 4-1 所示，光电传感器已经安装在转动源上，将“024V 直流稳压电源”接至“转动源输入”。调整 024V 直流稳压电源驱动转动源。将+5V 电源接到底面板上转动源传感器输出局部，U为“光电”输出端，将U与接地端分别接到频率/转速表的“f/n 输入”的正、负端。14图 4-1光电测转速安装示意图翻开直流电源开关，用不同的电压驱动转动源，待转速稳定后记录相应的转速稳定时间约 1 分钟，填入表 4-1，同时可通过示波器观看光电传感器

21、的输出波形。驱动电压V+6V+8V+10V+12V+14V+16V+18V+20V转速 nrpm表 4-1光电传感器驱动电压和转速关系表2. 磁电传感器试验内容与步骤：按如图 4-2 所示安装磁电感应式传感器，磁钢已经固定在转盘上。传感器底部距离转动源 45mm目测，磁电式传感器连至“双线接口”插座，再将底面板上“双线接口”的输出端接到频率/转速表。将“024V 可调稳压电源”与“转动源输入”相连，用数显电压表测量其电压值。翻开试验台电源，调整直流稳压电源 024V 驱动转动源留意正负极，否则烧坏电机，可以观看到转动源转速的变化，待转速稳定后稳定时间约 1 分钟，记录对应的转速，填入表 4-2。也可用示波器观测磁电传感器输出的波形。图 4-2磁电式传感器安装示意图15表 4-2磁电传感器驱动电压和转速关系表驱动电压V+6V+8V+10V+12V+14V+16V+18V+20V转速 nrpm五、试验报告1.光电传感器试验：依据测的驱动电压和转速，作 V-n 曲线。并与其他传感器测得的曲线比较。2磁电传感器试验：分析磁电式传感器测量转速原理。依据记录的驱动电压和转速，作 V-rpm曲线。16