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1、测试技术实验指导书 第34页 共34页 机械工程测试技术实验指导书传感器与检测技术 罗烈雷编机械工程系机械工程测试技术实验指导书 传感器与检测技术一、测试技术实验的地位和作用 传感器与检测技术课程，在高等理工科院校机械类各专业的教学计划中，是一门重要的专业基础课，而实验课是完成本课程教学的重要环节。其主要任务是通过实验巩固和消化课堂所讲授理论内容的理解，掌握常用传感器的工作原理和使用方法，提高学生的动手能力和学习兴趣。其目的是使学生掌握非电量检测的基本方法和选用传感器的原则，培养学生独立处理问题和解决问题的能力。 二、应达到的实验能力标准 1、通过 应变式传感器实验 ，掌握理论课上所讲授的应变
2、片的工作原理，并验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 2、通过差动变压器静态位移性能测试和差动变压器零点残余电压的补偿电路设计，掌握理论课上所讲授的差动变压器的工作原理和零点残余电压的补偿措施。 3、通过电涡流式传感器的静态标定和被测体材料对电涡流式传感器特性的影响实验，掌握理论课上所讲授的电涡流式传感器的原理及工作性能，验证不同性质被测体材料对电涡流式传感器性能的影响。 4、通过差动面积式电容传感器的静态及动态特性测试，了解差动面积式电容传感器的工作原理及其特性。 5、通过磁电感应式传感器的性能和霍尔式传感器直流静态位移特性的测试方法，掌握磁电感应式传感器的工作原理及其性能和霍尔式传感
3、器的工作原理及其特能。 6、通过压电式传感器的动态响应和引线电容对电压放大器与电荷放大器的影响实验，掌握压电式传感器的原理、结构及应用和验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用方法。 7、通过光敏三极管和光敏电阻的性能测试，掌握光电传感器的原理与应用方法。 8、热电偶和热敏电阻的性能测试的方法，掌握热电偶的原理和 NTC 热敏电阻的工作原理和使用方法，并对传感器灵敏度线性度进行分析。 9、通过差动放大器和低通滤波器设计和测试，掌握差动放大器和滤波器的设计方法和性能测试方法。 10、通过集成温度传感器 AD590 和 DS1820 设计，掌握输出电流型和新型单总线数字温度传感器
4、的工作特性和使用方法。 三、学时、教学文件及教学形式 学时：本课程总学时为 48 学时，其中实验为 8 学时，占总学时的 17% 。 教学文件：测试技术实验指导书，实验报告学生自拟。 教学形式：本课程实验为验证性实验。学生实验前预习实验指导书，并写出预习报告。指导教师概述实验基本原理和方法及仪器使用方法等，并作针对性指导，具体实验步骤及测量数据处理由学生自行完成。 四、实验成绩评定 根据学生所组成的系统难易程度、数据图形的正确性、学习态度、实验技能、实验报告等综合评分。实验成绩占本课程总成绩 15% ，对缺实验成绩者本课程不予通过。 五、主要实验仪器设备双踪示波器、万用表、传感器综合实验仪等。
5、六、实验基本要求熟练掌握实验的基本技能，学会正确使用仪器仪表，能独立設计检测电路、联接线路并完成实验，能分析并排除实验过程中的一般故障。实验后要正确处理原始数据并完成实验报告。七、实验项目开设序号实验名称内 容 提 要实验要求实验时数实验类型每组人数所 在 实验室名 称备注1金属箔式应变片：单臂.半桥.全桥比较实验验证单臂.半桥.全桥的性能必开2验证2测试技术实验室2电涡流式传感器的静态标定了解电涡流式传感器的原理及工作性能（静态特性）必开2验证23交流电桥的应用振动的测量了解交流激励电桥的应用必开2验证24霍尔传感器的应用了解霍尔传感器在振动测量中的应用必开2验证2注：可按“实验目录”所列的
6、实验项目利用课余时间选做其它实验。实 验 目 录实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验实验二 金属箔式应变片半桥性能实验实验三 金属箔式应变片全桥性能实验实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验实验五 金属箔式应变片温度影响实验实验六 直流全桥的应用电子秤实验实验七 交流全桥的应用振动测量实验实验八 扩散硅压阻压力传感器的压力测量实验实验九 扩散硅压阻压力传感器差压测量实验实验十 差动变压器的性能实验实验十一 激励频率对差动变压器特性的影响实验实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验实验十三 差动变压器的应用振动测量实验实验十四 电容式传感器的位移特性实验实验十五 直流激励时霍尔式传
7、感器的位移特性实验电容传感器动态特性实验实验十六 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验十七 霍尔测速实验实验十八 磁电式转速传感器的测速实验霍尔式传感器振动测量实验实验十九 用磁电式原理测量地震 霍尔式传感器的应用电子秤实验实验二十 压电式传感器振动实验实验二十一 电涡流传感器的位移特性实验实验二十二 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验 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、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： RRK式中RR为电阻丝电阻相对
8、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元件，通过它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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压 Uo1= EK/4。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器电子秤、砝码、数显表、15V电源、4V电源、万用表（自备）。四、实验步骤：1、 根据图（11）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1R2R3R4350，加热丝阻值为50左
9、右 图11 应变式传感器安装示意图2、 接入模板电源15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）。3、 将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器
10、RW1，接上桥路电源4V（从主控台引入）如图12所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节RW1，使数显表显示为零。图12应变式传感器单臂电桥实验接线图4、 在电子称上放置一只砝码，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11，关闭电源。重量(g)电压(mv)5、 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满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。五、思考题： 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选
11、用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。 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、基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2EK2。三、 需用器件与单元：同实验一。四、 实验步骤：1、 传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤2，实验模板差动放大器调零。2、 根据图13接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意R2应和R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接
12、入桥路电源4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表12，计算灵敏度S2UW，非线性误差f2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。图13应变式传感器半桥实验接线图表12半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量电压五、 思考题：1、 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。2、 桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。实验三 金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测
13、量电路的优点。二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，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。三、需用器件和单元：同实验一四、实验步骤：1、 传感器安装同实验一。2、 根据图14接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表13；进行灵敏度和非线性误差计算。14全桥性能实验接线图表13全桥输出电压与加负载重量值重量电压五、思考题：1、 全桥测量中，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、 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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。FFR1R3R2R1R2R3R4R4FF图15应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实
