检测与传感器实验讲义董Word文件下载.docx
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旋转源0-2400转/分(可调);
温度源<
200℃(可调)。
3、传感器:
电阻应变式传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、集成温度传感器、热电偶、铂电阻、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等。
4、实验模块部分:
有应变式、压力、差动变压器、电容式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波、气敏、湿敏。
实验一应变片称重实验
一、实验目的
1.了解金属应变片的应变效应,设计应用应变片的称重检测电路;
2.比较全桥、半桥与单臂电桥的不同性能和特点;
3.掌握电桥检测、放大、显示等测量电路的设计方法和检测装置的调试技术。
二、实验原理
1.应变片的工作原理
导体在外界作用下产生机械形变时,其阻值将发生相应的变化,这种现象称为“应变效应”。
2.应变测量电桥
应变片将机械应变转换为电阻变化后,为了显示和记录,通常将应变片组成电桥电路,使得由非电量引起的应变片电阻变化转化为电压或电流的变化。
而对电桥电路的要求是具有较高的灵敏度,良好的线性关系和适应温度变化的补偿能力。
图1.1(a)为一单臂电桥电路,应变片接在电桥的一个臂上,电阻值为R1。
无应变时,ΔR1=0,此时电桥平衡,U0=0;
若应变片受力作用产生应变,则该臂阻值为R1+ΔR1,电桥就有电压输出,由图1.1(a)可知。
(a)单臂(b)半桥(c)全桥
图1.1应变片直流电桥电路
(1)
设电桥初始平衡时,,且若,则
(1)式近似地为
(2)
所以电桥的电压灵敏度
(3)
进一步设n=1,即有R1=R2=R3=R4,可求得最大电压灵敏度为
(4)
上述讨论是在情况下进行,桥路的输出电压与应变的关系是线性关系。
但若n较小,且应变片承受的应变较大时,
(1)式分母项中的就不能忽略,就呈非线性。
补偿的办法是采用半桥或全桥差动电路。
如果将一片受压和一片受拉的两应变片,接入电桥相邻桥臂内,形成半桥差动电路,如图1.1(b)所示。
设R1=R2=R3=R4,且ΔR1=ΔR2,则电桥输出
(5)
所以半桥的电压灵敏度
(6)
由此可见,采用半桥差动电路不仅消除了非线性误差,而且电压灵敏度也比单臂电桥时提高了一倍。
若采用两片受压,两片受拉的四片应变片,且使相同受力状态的两应变片接入电桥的相对臂上,如图1.1(c)所示,设R1=R2=R3=R4,且ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,则此时的输出电压和电压灵敏度为
(7)
(8)
即全桥差动电路的电压灵敏度比单臂时提高了四倍,同时消除了非线性误差,因
而得到广泛的实际应用。
三、实验步骤
(一)、应变片单臂电桥实验
1.根据图1.2,4个同型号的应变式传感器已粘贴在弹性梁上下表面。
为方便测量,各应变片已接入传感器模板左上方的R1、R2、R3、R4标志端。
图1.2应变传感器安装示意图
2.实验模板差动放大器调零,如图1.3所示,方法为:
①将实验模板上的±
15V和“⊥”接地端子与主控台上的相应电源/接地端准确连接;
将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主控台上数显电压表输入端Vi相连。
将实验模板增益调节电位器Rw3调节到大致中间位置。
检查无误后,合上主控台电源开关,调节实验模板上调零电位器RW4,使电压表显示为零(数显表置2V档),完毕后关闭主控台电源。
3.应变式传感器实验模块面板图1.3,按图1.4接线。
将应变式传感器中任一个应变片(模板左上方的应变电阻R1~R4任选一个)接入电桥作为一个桥臂,它与R5、R6、R7接成直流电桥,将主控台的电压选择旋钮调至±
4V输出,将Vo+、Vo-端接入直流电桥电源端子。
电桥输出端接差动放大器输入端,放大器输出接数显表。
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,当调节Rw1调零困难时,可以使用Rw4微调实现调零。
图1.3应变式传感器模块面板图
图1.4应变片单臂电桥实验线路
4.在传感器托盘上依次放置10个砝码(每个20g),读取数显电压表数值,实验结果填入表1-1。
表1-1:
单臂测量时输出电压与负载重量的关系(加载和卸载各测量5组):
重量(g)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
加载时输出电压(mV)
1
2
3
4
5
卸载时输出电压(mV)
完成单臂桥称重加载和卸载实验后,选取一件随身物品如手机、钥匙串、眼镜等进行称重,记录其输出电压为。
(二)、应变片半桥差动实验
承受相反应力的两个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。
当两片应变片阻值和应变量相同时,其桥路输出电压和灵敏度比单臂桥提高一倍。
图1.6应变片半桥差动实验线路
1.保持实验
(一)的各旋钮位置不变。
2.根据图1.6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,即桥路的邻边必须是传感器中两片受力方向相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片。
接入桥路电源±
4V,调节Rw1,使数显表显示为零,当调节Rw1调零困难时,可以使用Rw4微调实现调零。
同实验一(4)步骤,将实验数据记入表1-2
注意保持运放增益不变(谨记在整个实验过程不得调整Rw3旋钮)。
表1-2:
半桥测量时,输出电压与负载重量的关系:
采用半桥差动测量电路,选取与单臂桥称重相同的物品进行称重,记录其输出电压为。
(三)、应变片全桥差动实验
全桥差动测量电路中,将受力状态相同的两片应变片接入电桥对边,不同的接入邻边,应变片初始阻值是R1=R2=R3=R4,当其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时,桥路输出电压和灵敏度比半桥差动又提高了一倍,非线性误差进一步得到改善。
1.保持实验
(二)的各旋钮位置不变。
2.根据图1.7接线,将R1、R2、R3、R4应变片接成全桥,注意电桥中任意相邻的两个应变片应承受相反应力,否则,全桥不能正常工作。
调节Rw1,使数显表显示为零,当调节Rw1调零困难时,可以使用Rw4微调实现调零。
同实验一(4)步骤,将实验结果记入表1-3;
图1.7应变片全桥实验线路
表1-3:
全桥测量时,输出电压与负载重量的关系:
采用全桥差动测量电路,选取与前面电桥称重相同的物品进行称重,记录其输出电压为。
四、实验仪器与设备
1.应变式传感器实验模板1块
2.砝码(每个约20g)10个
3.托盘一个
4.直流数显电压表主控台
5.±
15V电源、±
4V电源主控台
五、注意事项
1.实验前应将实验中使用的导线全部检测一遍,确保导线全部导通。
2.实验模板接±
15V直流电源时,一定要接准确,切不可接反烧毁运算放大器。
3.在更换应变片时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。
4.为了比较应变片单臂、半桥、全桥电路的电压灵敏度,这三种检测电路的实验过程中,桥路所加稳定电压(±
4V)及差动放大器增益均应保持不变。
5.差动放大器调零后,在实验过程中一般不再调整。
但是检测电桥则必须经常检查零点是否变化,并及时进行调整。
6.实验中为防止电压表过载,在接好电路开通电源前,应先将量程打到最大(20V),后根据实测数据的大小正确选择量程。
7.本实验台上的地线是内部接通的,每块实验模板上的地线也内部接通。
8.做此实验时应将低频振荡器的幅值关至最小,以减小其对直流电桥的影响。
六、创新和思考
1.单臂电桥时,作为桥臂的电阻应变片应选用()。
A.正(受拉)应变片B.负(受压)应变片C.正、负应变片均可以
2.半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时,应放在()。
A.对边B.邻边C.对边邻边都可以
3.查阅资料,谈谈在实际工作和生活中应变片式传感器还有哪些用途。
七、实验报告要求
1.根据表1-1实验数据,对单臂电桥时应变称重装置的静态特性(线性度、灵敏度、迟滞和重复性)进行分析。
2.根据单臂电桥、半桥差动、全桥差动称重实验数据,在同一坐标上绘制出上述结果的三条V-W特性曲线。
(建议采用matlab用最小二乘法拟合曲线)
3.计算三种测量电桥的灵敏度S,实验结果与理想结论是否一致?
如不一致分析产生的原因。
4.计算并比较单臂电桥、半桥、全桥测量时的非线性误差,得出相应的结论并阐述理由。
5.根据单臂电桥、半桥、全桥测量结果,结合对随身物品称重输出电压,分析计算该物品的质量。
对计算结果进行对比,分析实验误差产生的原因。
6.完成创新与思考中的问题。
实验二电容传感器位移的测量
1.设计差动变面积式电容传感器的位移测量电路;
2.通过差动变面积式电容传感器的应用进一步了解传感器的原理、测量电路及其它相关电路的作用;
3.了解电容式传感器的动态性能及测量原理与方法。
(一)电容式传感器工作原理:
利用平板电容C=εS/d的关系,在ε、S、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,就可使电容C发生变化,通过相应的测量电路,将电容的变化量转换成相应的电信号,则可以制成多种电容传感器,如:
①变ε的湿度电容传感器。
②变d的电容式压力传感器。
③变S的电容式位移传感器。
本实验采用第③种电容传感器,是一种圆筒形差动变面积式电容传感器,传感器外形如图2-1所示。
图2-1差动变
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