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THQC1型实验指导书
目 录
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、实验仪器
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、实验原理
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
(1-1)
式中
为电阻丝电阻相对变化;
为应变灵敏系数;
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结构图
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
(1-2)
为电桥电源电压;
式1-2表明单臂电桥输出为非线性,非线性误差为L=
。
图1-2单臂电桥面板接线图
四、实验容与步骤
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=350Ω。
2.按图1-2只接好“差动放大器”和“电压放大器”部分,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2V档),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),调节调零电位器使电压表显示为0V。
关闭直流开关电源。
(两个增益调节的位置确定后不能改动)
3.按图1-2接好所有连线,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.加托盘后调节Rw2使电压表显示为零。
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,记录实验数据填入表1-1。
表1-1
重量(g)
电压(mV)
6.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
1.根据实验所得数据计算系统灵敏度S=ΔU/ΔW(ΔU输出电压变化量,ΔW重量变化量);
2.计算单臂电桥的非线性误差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为满量程(200g)输出平均值。
六、注意事项
实验所采用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!
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、实验仪器
同实验一
三、实验原理
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边,如图2-1。
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相同、应变数也相同时,半桥的输出电压为
(2-1)
式中
为电阻丝电阻相对变化;
为应变灵敏系数;
为电阻丝长度相对变化;
为电桥电源电压。
式2-1表明,半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。
图2-1半桥面板接线图
四、实验容与步骤
1.应变传感器已安装在悬臂梁上,可参考图1-1。
2.按图2-1接好“差动放大器”和“电压放大器电路”。
“差动放大器”调零,参考实验一步骤2。
3.按图2-1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实验一步骤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,记下实验结果,填入表2-1。
表2-1
重量(g)
电压(mV)
6.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据所得实验数据,计算灵敏度S=ΔU/ΔW和半桥的非线性误差δf2。
六、思考题
引起半桥测量时非线性误差的原因是什么?
七、注意事项
实验所采用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!
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、实验仪器
同实验一
三、实验原理
全桥测量电路中,将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边,不同的接入邻边,如图3-1,当应变片初始值相等,变化量也相等时,其桥路输出
Uo=
(3-1)
式中
为电桥电源电压。
为电阻丝电阻相对变化;
式3-1表明,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3-1全桥面板接线图
四、实验容与步骤
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.差动放大器调零,参考实验一步骤2。
3.按图3-1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实验一步骤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,记下实验结果,填入下表。
重量(g)
电压(mV)
6.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验数据,计算灵敏度S=ΔU/ΔW和全桥的非线性误差δf3。
六、思考题
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?
七、注意事项
实验所采用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!
实验四 直流全桥的应用——电子称实验
一、实验目的
了解直流全桥的应用及电路的定标。
二、实验仪器
同实验一
三、实验原理
电子称实验原理同实验三的全桥测量原理,通过调节放大电路对电桥输出电压的放大倍数,使电路输出电压值为重量的对应值,电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成一台比较原始的电子称。
四、实验容与步骤
1.按实验三的步骤1、2、3接好线并将“电压放大器”调零。
2.将10只砝码置于传感器的托盘上,调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器,使数显电压表显示为0.200V(2V档测量)。
3.拿掉托盘上所有砝码,观察数显电压表是否显示为0.000V,若不为零,再次将“电压放大器”调零和加托盘后电桥调零。
4.重复2、3步骤,直到精确为止,把电压量纲V改为重量量纲g即可以称重。
5.将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值,直到200g砝码加完,计下实验结果,填入下表。
6.拿掉砝码,托盘上加一个未知的重物(不要超过0.5Kg),记录电压表的读数。
根据实验数据,求出重物的重量。
重量(g)
电压(V)
7.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验记录的数据,计算电子称的灵敏度S=ΔU/ΔW,非线性误差δf4。
六、注意事项
实验所采用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!
实验五 移相实验
一、实验目的
了解移相电路的原理和应用。
二、实验仪器
移相器模块、信号源、示波器
三、实验原理
由运算放大器构成的移相器原理图如下图所示:
图5-1移相器原理图
通过调节Rw,改变RC充放电时间常数,从而改变信号的相位。
图5-2移相器示意图
四、实验步骤
1.将信号源的US1幅值调节为6V,频率调节旋钮逆时针旋到底,将US100与“移相器”输入端相连接。
2.打开直流电源开关,“移相器”的输入端与输出端分别接示波器的两个通道,调整示波器,观察两路波形。
3.调节“移相器”的相位调节电位器,观察两路波形的相位差,并填入下表。
4.改变“信号源US1”的频率(频率转速表频率档监测),观察频率不同时“移相器”移相围的变化。
频率(kHz)
ΔФ
5.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验所得的数据,对照移相器电路图分析其工作原理。
六、注意事项
实验过程中正弦信号通过移相器后波形局部有失真,这并非仪器故障。
实验六 相敏检波实验
一、实验目的
了解相敏检波电路的原理和应用。
二、实验仪器
移相器、相敏检波器、低通滤波器、信号源、示波器
三、实验原理
开关相敏检波器原理图如图6-1所示,示意图如图6-2所示:
图6-1检波器原理图
图6-2检波器示意图
图6-1中Ui为输入信号端,AC为交流参考电压输入端,Uo为检波信号输出端,DC为直流参考电压输入端。
当AC、DC端输入控制电压信号时,通过差动电路的作用使、处于开或关的状态,从而把Ui端输入的正弦信号转换成全波整流信号。
输入端信号与AC参考输入端信号频率相同,相位不同时,检波输出的波形也不相同。
当两者相位相同时,输出为正半周的全波信号,反之,输出为负半周的全波信号。
四、实验步骤
1.“信号源”US100音频信号输出1kHz,Vp-p=8V正弦信号,接到“相敏检波”输入端Ui。
2.将直流稳压电源“±5V”处的“+5V”“GND”接“相敏检波器”的“DC”“GND”。
3.示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端,观察输入、输出波形的相位关系和幅值关系。
4.改变DC端参考电压的极性(接入直流稳压电源“±5V”处的“-5”V),观察输入、输出波形的相位和幅值关系。
5.由以上可以得出结论:
当参考电压为正时,输入与输出同相,当参考电压为负时,输入与输出反相。
6.去掉DC端连线,将“信号源US100”端输出1kHz,Vp-p=8V正弦信号送入“移相器”输入端,“移相器”的输出与“相敏检波器”的参考输入端AC连接,同时将音频信号源US100输出接到“相敏检波器”的信号输入端。
7.用示波器两通道观察、的波形。
可以看出,“相敏检波器”中整形电路的作用是将输入的正弦波转换成方波,使相敏检波器中的电子开关能正常工作。
8.将“相敏检波器”的输出端与“低通滤波器”的输入端连接,如图6-4(图6-3为低通滤波器的原理图),“低通滤波器”输出端接数字电压表20V档。
9.示波器两通道分别接“相敏检波器”输入、输出端。
10.适当调节“信号源”幅值旋钮和“移相器”相位调节旋钮,观察示波器中波形变化和电压表电压值变化,然后将“相敏检波器”的输入端Ui改接至US11800输出端口,观察示波器和电压表的变化。
由上可以看出,当“相敏检波器”的输入信号与开关信号同相时,输出为正极性的全波整流信号,电压表指示正极性方向最大值,反之,则输出负极性的全波整流波形,电压表指示负极性的最大值。
11.调节移相器“相位调节”旋钮,使直流电压表输出最大,利用示波器和电压表,测出“相敏检波器”的输入Vp-p值与输出直流电压UO的关系。
12.使输入信号Ui相位改变1800,得出Vp-p值与输出直流电压UO1的关系,并填入下表。
输入Vp-p(V)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
输出UO(V)
输出UO1(V)
图6-3低通滤波器原理图图6-4低通滤波器示意图
13.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验所得的数据,作相敏检波器输入——输出曲线(Vp-p—Vo),对照移相器、相敏检波器电路图分析其工作原理,并得出相敏检波器最佳的工作频率。
实验七 交流全桥性能测试实验
一、实验目的
了解交流全桥电路的原理
二、实验仪器
应变传感器、移相器、相敏检波器、低通滤波器,差动放大器,电压放大器,信号源,示波器
三、实验原理
图7-1是交流全桥的一般形式。
设各桥臂的阻抗为Z1~Z4,当电桥平衡时,Z1Z3=Z2Z4,电桥输出为零。
若桥臂阻抗相对变化为△Z1/Z1、△Z2/Z2、△Z3/Z3、△Z4/Z4,则电桥的输出与桥臂阻抗的相对变化成正比。
交流电桥工作时增大相角差可以提高灵敏度,传感器最好是纯电阻性或纯电抗性的。
交流电桥只有在满足输出电压的实部和虚部均为零的条件下才会平衡。
图7-1交流全桥接线图
四、实验步骤
1.开启实验台电源,信号源输出Us100输出1kHz,Vp-p=8V正弦信号,按图7-1将“差动放大器”与“电压放大器”相连,输出接数显电压表200mV档。
调节“差动放大器”和“电压放大器”的增益调节电位器调到最大(顺时针旋到底),“差动放大器”输入短路,调节调零电位器使电压表显示为零。
2.按图7-1接线,调节电桥直流调平衡电位器Rw2,使系统输出基本为零,并用Rw3进一步细调至零,示波器接“相敏检波器”输出端观察波形。
3.用手轻压应变梁到最低,调节“相位调节”旋钮使“相敏检波器”输出端波形成为首尾相接的全波整流波形,然后放手,悬臂梁恢复至水平位置,再调节电桥中Rw2和Rw3电位器,使系统输出电压为零,此时桥路的灵敏度最高。
4.装上砝码盘,分别从20g增加砝码的重量,测得数据填入下表:
m(g)
V(mV)
5.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验所得的数据,在坐标上作出m-V曲线,求出灵敏度,并与直流称重系统进行比较。
六、注意事项
实验所采用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!
实验八 交流激励频率对全桥的影响
一、实验目的
通过改变交流全桥的激励频率以提高和改善测试系统的抗干扰性和灵敏度。
二、实验仪器
应变传感器、移相器、相敏检波、低通滤波器,差动放大器,电压放大器,信号源,示波器
三、实验原理
同实验七
四、实验步骤
1.按实验七进行接线和记录实验数据。
2.调节信号源输出Us100信号,幅值为VP-P8V频率从2kHz-10kHz,分别测出交流全桥输出值,填入下表。
m(g)
20g
40g
60g
80g
100g
120g
140g
160g
180g
200g
频率
V(mV)
3.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
根据实验所得的数据,在坐标上作出不同激励频率下的m-V曲线,比较灵敏度,观察系统工作的稳定性,并由此得出结论,此系统工作在哪个频率区段中较为合适。
六、注意事项
实验所采用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!
实验九 交流全桥振幅测量实验
一、实验目的
了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法。
二、实验仪器
应变传感器、差动放大器、电压放大器、振动源、信号源、万用表(自备)、示波器
三、实验原理
将应变传感器全桥性能实验中的直流电源E(±5V)换成交流电源
,则构成一个交流全桥,其输出u=
,用交流电桥测量交流应变信号时,桥路输出为一调制波。
当双平行振动梁被不同频率的信号激励时,起振幅度不同,贴于应变梁表面的应变片所受应力不同,电桥输出信号大小也不同。
若激励频率与梁的固有频率相同时则产生谐振,此时电桥输出信号最大,根据这一原理可以找出梁的固有频率。
四、实验容与步骤
1.将四个应变电阻通过导线接到“电桥”的虚线全桥上。
2.按“实验七——交流全桥性能测试实验”连接电路,并将系统灵敏度调至最高。
3.将“信号源Us2”输出接到“振动源输入”,调节输出幅度和频率使振动台(圆盘)明显有振动。
4.调节Us2幅度使VP-P=2V,改变Us2的频率(用频率/转速表监测,可用转速档观测,本实验仪中频率f与转速n的关系为f=10n,),用上位机或示波器检测频率变化时,“低通滤波器”输出波形的电压峰-峰值,填入下表。
f(Hz)
VP-P(V)
5.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。
五、实验报告
从实验数据得出振动梁的共振频率(振幅最大时的频率即为共振频率)。
六、注意事项
1.进行此实验时低频信号源幅值旋钮约放在3/4位置为宜。
实验所采用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!
2.当频率较小时,振动幅度较小,输出波形毛剌较为严重(毛剌为机械振动产生),实验频率可从10Hz左右开始,实验现像较为明显。
实验十 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验
一、实验目的
了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。
二、实验仪器
压力传感器、气室、气压表、分压器、差动放大器、电压放大器、直流电压表
三、实验原理
在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法,摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器,如图10-1所示,在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。
将它们连接成惠斯通电桥,电桥电源端和输出端引出,用制造集成电路的方法封装起来,制成扩散硅压阻式压力传感器。
扩散硅压力传感器的工作原理如图10-1,在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流
,当敏感芯片没有外加压力作用,部电桥处于平衡状态,当有剪切力作用时,在垂直于电流方向将会产生电场变化
,该电场的变化引起电位变化,则在与电流方向垂直的两侧得到输出电压Uo。
(10-1)
式中d为元件两端距离。
实验接线图如图10-2所示,MPX10有4个引出脚,1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-;当P1>P2时,输出为正;P1 图10-1扩散硅压力传感器原理图 图10-2扩散硅压力传感器接线图 四、实验容与步骤 1.按图10-2接好“差动放大器”与“电压放大器”,“电压放大器”输出端接数显直流电压表,选择20V档,打开直流开关电源。 2.调节“差动放大器”与“电压放大器”的增益调节电位器到适当位置并保持不动,用导线将“差动放大器”的输入端短接,然后调节调零电位器使直流电压表20V档显示为零。 3.取下短路导线,并按图10-2连接“压力传感器”与“分压器”。 4.气室的活塞退回到刻度“17”的小孔后,使气室的压力相对大气压均为0,气压计指在“零”刻度处,将“压力传感器”的输出接到差动放大器的输入端,调节Rw1使直流电压表20V档显示为零。 5.增大输入压力到0.01MPa,每隔0.005Mpa记下“电压放大器”输出的电压值U。 直到压强达到0.095Mpa;填入下表。 P(kP) U(V) 6.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。 五、实验报告 根据实验所得数据,计算压力传感器输入——输出(P—U)曲线。 计算灵敏度S=ΔU/ΔP,非线性误差δf。 实验十一 差动变压器性能实验 一、实验目的 了解差动变压器的工作原理和特性。 二、实验仪器 差动电感传感器、测微头、差动放大器(差动电感)、信号源、示波器 三、实验原理 差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。 铁芯连接被测物体。 移动线圈中的铁芯,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的感应电动势发生变化,一只次级线圈的感应电动势增加,另一只次级线圈的感应电动势则减小,将两只次级线圈反向串接(同名端连接)引出差动输出,则输出的变化反映了被测物体的移动量。 四、实验容与步骤 1.根据图12-1将差动变压器安装在传感器固定架上(传感器固定架为实验通用支架。 如果做其他实验,可直接将传感器更换。 如做电容传感器实验,可将差动变压器直接换成电容传感器)。 图11-1差动变压器安装图 图11-2差动变压器接线图 2.将传感器引线插头插入“差动电感”插座中,音频信号由信号源的“Us100”处输出,打开电源,调节Us1的频率和幅度(用示波器监测),使输出信号频率为4-5kHz,幅度为Vp-p=2V,按图11-2接线(差动电感接差动放大器输入端)。 3.将“差动放大器”的增益调到最大(增益调节电位器顺时针旋到底)。 4.用示波器观测“差动放大器”的输出,旋动测微头,使上位机或示波器观测到的波形峰-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,另一个方向位移为负,从Vp-p最小开始旋动测微头,每隔0.2mm从示波器或上位机上读出输出电压Vp-p值,填入表11-1,再从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。 表11-1 Vp-p(mV) X(mm) 5.实验结束后,关闭实验台电源,整理好实验设备。 五、实验报告 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11-1画出Vp-p-X曲线,并作出量程为±1mm、±2mm时系统的灵敏度和非线性误差。 六、注意事项 实验过程
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- THQC1 实验 指导书