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1、检测与转换技术实验指导物理与电信工程学院电子测量与自动控制教研室2013 年 10 月实验目录实验一金属箔式应变片单臂等臂电桥性能实验 2实验二金属箔式应变片半差动等臂电桥性能实验 6实验三金属箔式应变片全差动等臂电桥性能实验 7实验四金属箔式应变片电子秤实验 8实验五电容式传感器的位移特性实验 10实验六直流激励时霍尔传感器位移特性实验 12实验七Pt100钳热电阻测温实验 13实验八热敏电阻特性研究 15实验九集成温度传感器实验 17实验十光电二极管和光敏电阻特性研究 19附录1实验箱温度控制简要原理22附录 2温度控制器使用说明 22附录 3 THQC-1 型典型传感元件实验箱使用说明
2、25实验一金属箔式应变片单臂等臂电桥性能实验一、实验目的：掌握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：金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属 的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：R -（1）S当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长l ,横截面积相应减小 S,电阻 率因品格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化 R。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有： （2）R l S式中的彳为电阻丝的轴向应变，用e表示，常用单位（1 =1X1。6mmmm）。若径向应变为z，电阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比 表示为 /（%），因为 %=2
3、（ /）,则（2）式可以写成：/（1 2）一（1 2 十+ /式（3）为“应变效应”的表达式。k。称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见，k。受两个因素影响，一个是（1 + 2 ）,它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是 / L是材料的电阻率 随应变引起的（称“压阻效应”）。对于金 属材料而言，以前者为主，则k。1 2 ,对半导体，k。值主要是由电阻率相对 变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变 成比例。通常金属丝的灵敏系数k0=2左右。用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下， 被测对象表面产生微小机械变形时， 应变片敏感栅也随同变形，其电
4、阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值e ,而根据应力应变关系E（4）式中 测试的应力；E材料弹性模量。可以测得应力值6。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物 理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。 电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、整码（每个整码重量20克）、数显表、 15V电源、 5V电源、万用表。四、实验内容与步骤：1、应变片的安装位置如图（1-1）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已
5、接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。可用万用#表进行测量,R1=R2=R3=R4=350QO图1 1应变式传感器安装示意图2、接入模板电源 15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开 关，顺时针调节Rw2（放大器增益调节）使之大致位于中间位置，再进行差动放 大器调零，方法为：将差放的两个输入端与地短接，输出端VO与主控箱面板上数显电压表输入端 Vi相连，调节实验模板上直流偏置调零电位器Rw3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Rw2 的位置一旦确定，就不能改变。）拆下差放的两个输入端与地短接线。3、按图1-2将应变式传感器的其中一个应变
6、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 Rwl接上桥品&电源 5V,此时应将士 5V地与15V 地连接（因为两组电源独立不共地）， 15V地与放大器的地线相连，如图 1-2 所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节 Rwl （电桥初始调零），使 数显表显示为零。4、在整码盘上放置一只整码，读取数显表数值，以后每次增加一个整码并读取相应的数显表值，直到200g整码加完。记下实验结果填入表1-1 ,关电源2亚融CS.IK图1-2应变式传感器单臂电桥实验接线图表1-1单臂电桥输出电压与所加负载
7、重量值记录表重量（g）电压（mv）五、实验数据处理，根据表1-1数据，画出传感器的特性曲线，作出拟合直线 根据拟合直线，计算灵敏度S U / W （ U输出电压的变化量，W重量变化量）计算非线性误差6 f1 = Am/yFsX100%式中 m为输出值与拟合直线的最大偏差：yFs满量程输出（此处为200g）时的输出电压。后面实验的灵敏度、非线性误差计算可参考以上方法。六、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5V,绝不可错接成 15V,否则可能烧毁应变片。七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线，作出拟合直线。
8、2、计算系统灵敏度、非线性误差。2、从理论上分析产生非线性误差的原因。实验二 金属箔式应变片 半差动等臂电桥性能实验一、实验目的：1、掌握 半差动等臂电桥的工作原理和特点。2、比较半差动等臂电桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理：把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，具桥路输出电压U02=Eke/2。式中 E 为电桥供电电压。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、 15V 电源、 5V 电源。四、实验内容与步骤：1、接入模板电源 15V （从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，进行
9、差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi 相连，调节实验模板上直流偏置调零电位器Rw3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。2、根据图 2-1 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。接入桥路电源土 5V,调节电桥调零电位器Rw1进行桥路 调零，重复实验一中的步骤4、5,将实验数据记入表2-1,计算灵敏度S U / W ,非线性误差f2。若实验时显示数值不变化说明 R1与R2两应变 片受力状态相
10、同。则应更换应变片。祓放KIL路图2-1应变式传感器半差动等臂电桥实验接线图表2-1半差动等臂电桥测量时，输出电压与加负载重量值记录表重量（g）电压（mV）五、实验注意事项：1、不要在整码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5V,绝不可错接成 15V,否则可能烧毁应变片。六、思考题：半差动等臂电桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片应怎样接入 电桥？七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出半差动等臂电桥传感器的输出特性曲线。2、分析为什么半差动等臂电桥的输出灵敏度比单臂等臂电桥时高了一倍，而且 非线性误差也得到改善。实验三金属箔式应变片全差动等臂电桥性能实验一、实
11、验目的：掌握全差动等臂电桥测量电路的原理及优点。二、基本原理：全差动等臂电桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1 = R2=R3=R4,其变化值A R1 = A R2= A R3= A R4时, 具桥路输出电压Uo3=KE o其输出灵敏度比半桥又提高了一倍， 非线性误差和 温度误差均得到明显改善。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、整码、数显表、15V电源、 5V电源。四、实验内容与步骤：1、根据3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1;进行灵敏度和非线性误差计算。图3-1应变式传感器全差动等臂电桥实验接线图表3-1全差动等臂电桥输出
12、电压与加负载重量值记录表重量(g)电压(mV)五、 实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5V,绝不可错接成 15V。六、实验报告要求：1、根据所记录的数据绘制出全差动等臂电桥时传感器的输出特性曲线。实验四 金属箔式应变片 电子秤实验一、实验目的：掌握应变电阻组成直流全差动等臂电桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，电桥连接见图 3 1，利用全差动等臂电桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（ mV ）改为重量量纲克（g）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝
13、码、数显表、 15V 电源、 5V 电源。四、实验内容与步骤：1、按实验一中2 的步骤，将差动放大器调零， （方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi 相连，调节实验模板上直流偏置调零电位器 Rw3使数显表输出显示为零）按图 3-1接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器Rw1 ，使数显表显示0.000V（2V 档） 。2、将10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw2 （增益调节即满量程调节）使数显表显示为 0.200V 或 0.200V。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1 （零位调节）使数显表显示为0.000V4、重复2、3步骤的标
14、定过程，一直到精确为止，把电压量纲 mV改为重量量纲g,就可以称重，成为一台原始的电子秤5、把整码依次放在托盘上，输出电压填入下表 4-1表4-1电桥输出电压与加负载重量值记录表重量(g)电压(mv)6、测量和记录一支笔的重量。五、实验注意事项：1、不要在整码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5V,绝不可错接成 15V。六、实验报告要求：1、记录实验数据，绘制传感器的特性曲线和拟合直线。2、计算电子秤灵敏度、非线性误差。3、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了四只电阻应变片(如下 图)，利用这四只电阻应变片连接组成全差动直流电桥。Rj R4 Tf图4-1 应变式传感器受拉时传感器周面展开图4、分析若要增加电子秤输出灵敏度，应采取什么措施。实验五电容式传感器的位移特性实验、实验目的：掌握电容式传感器结构及其特点、基本原理:利用平板电容C= e S/d和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择e、S、d中三个参
