检测技术实训及应用.docx

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检测技术实训及应用

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：

ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=Δl/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=EKε/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（1－1）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，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右

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RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如图1－2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1－2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500g）砝码加完。

记下实验结果填入表1－1，关闭电源。

表1－1

重量（g）

电压（mv）

5、根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δf1=Δm/yF..S×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：

yF·S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用下列哪个?

：

（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UO2＝EKε／2。

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1－3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±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1－2，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δf2。

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1－3应变式传感器半桥实验接线图

表1－2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：

R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U03＝KEε。

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1－4接线，实验方法与实验二相同。

将实验结果填入表1－3；进行灵敏度和非线性误差计算。

1－4全桥性能实验接线图

表1－3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R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2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?

F

F

R1

R3

R2

R1

R2

R3

R4

R4

F

F

图1－5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：

实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。

实验五差动变压器的性能实验

一、实验目的：

了解差动变压器的工作原理和特性。

二、基本原理：

差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。

当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的移动量。

三、需用器件与单元：

差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源（音频振荡器）、万用表。

四、实验步骤：

1、根据图3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

图3－1差动变压器电容传感器安装示意图

2、在模块上按图3－2接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4－5KHz（可用主控箱的频率表输入Fin来监测）。

调节输出幅度为峰－峰值Vp-p＝2V（可用示波器监测：

X轴为0.2ms/div）。

图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。

接线时，航空插头上的号码与之对应。

当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。

判别初次线图及次级线圈同中端方法如下：

设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按图3－2接线。

当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv音频信号Vp-p＝2ｖ波形）比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别直到正确为止。

图中

（1）、

（2）、（3）、（4）为实验模块中的插孔编号。

3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表3－1，再人Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

图3－2双踪示波器与差动变压器连结示意图

4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。

根据表3－1画出Vop-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

表（3－1）差动变压器位移X值与输出电压数据表

V（mv）

X（mm）

五、思考题：

1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHZ的振动幅值，可以吗？

差动变压器测量频率的上限受什么影响？

2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

3、移相器的电路原理图如图1－7，试分析其工作原理？

4、相敏检波器的电路原理图如图1－8，试分析其工作原理？

实验六差动变压器零点残余电压补偿实验

一、实验目的：

了解差动变压器零点残余电压补偿方法。

二、基本原理：

由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯B－H特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零。

称其为零点残余电压。

三、需用器件与单元：

音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。

四、实验步骤：

1、

按图3－3接线，音频信号源从LV插口输出，实验模板R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。

图3－3零点残余电压补偿电路

2、利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰－峰值。

3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。

4、依次调整RW1、RW2，使输出电压降至最小。

5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。

6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰－峰值）。

（注：

这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压＝V零点p-p／K，K为放大倍数）

五、思考题：

1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。

2、本实验也可用图3－4所示线路，请分析原理。

图3－4零点残余电压补偿电路之二

实验七差动变压器的应用――振动测量实验

一、实验目的：

了解差动变压器测量振动的方法。

二、基本原理：

利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。

三、需用器件与单元：

音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、测微头、数显单元、低频振荡器、振动源单元（台面上）、示波器、直流稳压电源。

四、实验步骤：

1、将差动变压器按图3－5，安装在台面三源板的振动源单元上。

图3-5　差动变压器振动测量安装图

2、按图3－6接线，并调整好有关部分，调整如下：

（1）检查接线无误后，合上主控台电源开关，用示波器观察LV峰－峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vop-p=2V

（2）利用示波器观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。

（3）仔细调节RW1和RW2使示波器（相敏检小波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。

（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。

（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线。

（否则再调节RW1和RW2）激振源接上低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。

用示波器观察放大器Vo相敏检波器的Vo及低通滤波器的Vo波形。

图3－6差动变压器振动测量实验接线图

3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验十相同）用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表3－3

表3－3

f（Hz）

Vp-p（V）

4、根据实验结果作出梁的振幅――频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。

5、保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Vp-p曲线（定性）。

注意事项：

低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。

五、思考题：

1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？

2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？

实验八霍尔传感器振动测量实验

一、实验目的：

了解霍尔式测量转速的原理。

二、基本原理：

利用霍尔效应，可以测量转速。

三、需用器件与单元：

霍尔式传感器、数显单元测转速档、直流源2－24V。

四、实验步骤：

1、霍尔式转速传感器按图5－4安装传感器端面离转动盘面2mm左右。

将霍尔式传感器输出端插入数显单元Fin孔。

（霍尔式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）

2、将显示开关选择转速测量档。

3、将转速电源2－24V用引线引入到台面板上24V插孔，合上主控箱电开关。

使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。

五、思考题：

霍尔式转速传感器能测很低速的转动吗？

实验九电涡流传感器的位移实验

一、实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

二、基本原理：

通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。

四、实验步骤：

1、根据图8－1安装电涡流传感器。

图8－1电涡流传感器安装示意图

图8-1电涡流传感器安装示意图

图8－2电涡流传感器位移实验接线图

2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。

4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。

5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。

数显表量程切换开关选择电压20V档。

。

6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。

7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。

将结果列入表8－1。

表8－1电涡流传感器位移X与输出电压数据

X（mm）

V（v）

8、根据表8－1数据，画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

五、思考题：

1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？

2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。

实验十电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

二、基本原理：

利用平板电容C＝εA／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ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（ε变）测微小位移（变d）和测量液位（变A）等多种电容传感器。

三、需用器件与单元：

电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。

四、实验步骤：

1．按图5-1意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别CX1和CX2时，注意动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。

不然得调换接头。

一般接线：

二个静片分别是1号和2号引线，动极板为3号引线。

图5-1传感器位移实验接线图

2．将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接（插入主控箱Vi孔），Rw调节到中间位置。

3．接入±15V电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表5-1。

表5-1电容传感器位移与输出电压值

X（mm）

V（mv）

4．根据表5-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

五、思考题：

设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？

能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素？

实验十一直流激励时霍尔式传感器位移特性实验

一、实验目的：

了解霍尔式传感器原理与应用。

二、基本原理：

根据霍尔效应，霍尔电势UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它就可以进行位移测量。

三、需用器件与单元：

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。

四、实验步骤：

1、将霍尔传感器按图5－1安装。

霍尔传感器与实验模板的连接按图5－2进行。

1、3为电源±4V，2、4为输出。

2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。

图5图5－1霍尔传感器安装示意图

3、

4、

图5－2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图

3、微头向轴向方向推进，每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表5－1。

表5－1

X（mm）

V（mv）

4、作出V－X曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。

五、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？

实验十二交流激励时霍尔式传感器的位移实验

一、实验目的：

了解交流激励时霍尔式传感器的特性。

二、基本原理：

交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。

三、需用器件与单元：

在实验十六基础上加相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。

四、实验步骤：

1、传感器安装同实验十六，实验模板上连线见图5－3。

图5－3交流激励时霍尔传感器位移实验接线图

2、调节音频振动器频率和幅度旋钮，从Lv输出，用示波器测量使电压输出频率为1KHz，电压峰－峰值为接上交流电源，激励电压从音频输出端LV输出频率1KHZ，幅值为4V峰－峰值（注意电压过大会烧坏霍尔元件）。

3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数显表上观察，调节电位器RW1、RW2使显示为零。

4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位器RW和相敏检波电位器RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。

5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动0.2mm时表头读数，填入表5－2。

表5－2交流激励时输出电压和位移数据

X（mm）

V（mv）

6、根据表5－2作出V－X曲线，计算不同量程时的非线性误差。

五、思考题：

利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？

实验十三霍尔传感器测速实验

一、实验目的：

了解霍尔转速传感器的应用。

二、基本原理：

利用霍尔效应表达式：

UH＝KHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化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量被测旋转物的转速。

三、需用器件与单元：

霍尔转速传感器、直流源＋5V、转动源2－24V、转动源单元、数显单元的转速显示部分。

四、实验步骤：

1、根据图5－4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。

　　　　　　　　　　　　　图5－4　霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图

2、将5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1号接线端）。

3、将霍尔转速传感器输出端（2号接线端）插入数显单元Fin端，3号接线端接地。

4、将转速调节中的＋2V－24V转速电源接入三源板的转动电源插孔中。

5、将数显单元上的开关拨到转速档。

6、调节转速调节电压使转动速度变化。

观察数显表转速显示的变化。

五、思考题：

1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？

2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？

实验十四磁电式传感器的测速实验

一、实验目的：

了解磁电式传感器测量转速的原理。

二、基本原理：

基于电磁感应原理，N匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：

发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。

三、需用器件与单元：

磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源2－24V。

四、实验步骤：

4、磁电式转速传感器按图5－4安装传感器端面离转动盘面2mm左右。

将磁电式传感器输出端插入数显单元Fin孔。

（磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔）

5、将显示开关选择转速测量档。

6、将转速电源2－24V用引线引入到台面板上24V插孔，合上主控箱电开关。

使转速电机带动转盘旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。

五、思考题：

为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？

实验十五光电转速传感器的转速测量实验

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、基本原理：

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，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信号，由于转盘上有相间的16个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。

三、需用器件与单元：

光电转速传感器、直流电源＋5V、转动源及2－24V直流源、数显单元。

四、实验步骤：

1、光电转速传感器已安装在三源板上，把三源板上的＋5V、接地V0与主控箱上的＋5V、地、数显表的Vin相连。

数显表转换开关打到转速档。

2、将转速源2－24V输出旋到最小，接到转动源24V插孔上。

3、合上主控箱电源开关，使电机转动并从数显表上观察电机转速。

五、思考题：

已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方便。

实验十六光纤式传感器及其应用

一、实验目的：

1、掌握运用传光型反射光纤位移传感器来测量位移，了解位移—输出电压特性，并学会分析外界干扰的影响以及扩充位移传感器的应用范围。

2、掌握运用单头反射式光纤位移传感器作为转速测量，以及与一般光电式转速测量的比较。

二、实验设备：

1、ZCY-I型综合传感器实验仪

2、GSY—4302/GSY—4303光纤传感器实验仪

所需单元及部件

1、位移测量

主