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检测技术实验指导书

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2019-3

实验一：

应变片单臂、半桥、全桥特性比较

一、实验目的：

1、掌握电阻应变式传感器的原理及特性；

2、掌握单臂、半桥、全桥组桥原理及输出时的灵敏度和非线性度分析。

二、基本原理：

电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。

可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1．箔式应变片的基本结构

应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝

或金属箔制成，如图1—1所示。

（a）丝式应变片                        （b）箔式应变片

图1—1应变片结构图

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，与丝式应变片工作原理相同。

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。

2．测量电路

为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。

电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。

能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。

因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。

基本电路如图1—2（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

图1—2应变片测量电路

（a）单臂

Uo＝U①－U③

＝〔（R4＋△R4）／（R4＋△R4＋R3）－R1／（R1＋R2）〕E

＝｛〔（R1＋R2）（R4＋△R4）－R1（R3＋R4＋△R4）〕／〔（R3＋R4＋△R4）（R1＋R2）〕｝E

设R1＝R2＝R3＝R4，且△R4／R4＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε。

则Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE

（b）双臂（半桥）

同理:

Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE

（C）全桥

同理:

Uo≈（△R／R）E＝KεE

3．箔式应变片单臂电桥实验原理图

图1—3应变片单臂电桥实验原理图

图中R1、R2、R3为350Ω固定电阻，R4为应变片；W1和r组成电桥调平衡网络，供桥电源直流±4V。

桥路输出电压Uo≈（1／4）（△R4／R4）E＝（1／4）（△R／R）E＝（1／4）KεE。

三、实验所需设备：

机头中的电子称；电阻应变式模块、电压/频率表、砝码、托盘；3

位数显万用表、实验线若干。

四、实验步骤：

1．在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用3

位数显万用表2kΩ电阻档测量所有应变片阻值。

如下图1—6所示。

图1—6观察应变片阻值变化情况示意图

2．电阻应变式模块差动放大部分调零点：

按图1—7示意接线（接4根线）。

将电压/频率表的量程切换开关切换到2V档，合上实验箱主电源开关，将电阻应变式模块的“增益”电位器顺时针方向轻轻转到底，调节“运放调零”电位器，使电电压/频率表显示电压为零。

电阻应变式模块的差动放大部分的零点调节完成，关闭主电源。

拆去短接线。

图1—7差放调零接线图

3．应变片单臂电桥特性

⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片（标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片）与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接V+、V-直流电源（V+、V-模块内部已接+-5V电源），另一对角作为电桥的输出接电阻应变式模块的放大器二输入端，将RW1电位器（对应电阻应变式模块面板上的“电桥调零”旋钮）、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中（RW1电位器二固定端接电桥的V+、V-电源端、RW1的活动端r电阻接电桥的输出端），如图1—8示意接线（粗曲线为连接线,接10根线）。

图1—8应变片单臂电桥特性实验接线示意图

⑵检查接线无误后合上主电源开关，在电子称托盘无砝码时调节“电桥调零”旋钮，使电压表显示为0或接近0（有小的起始电压也无所谓，不影响应变片特性与实验）。

⑶在电子称托盘上放置一只砝码（20g／只），读取数显表数值，之后依次增加砝码并读取相应的电压值，记下实验数据填入表1。

实验完毕，关闭电源。

表1应变片单臂、半桥、全桥电桥特性实验数据

重量（g）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

单臂电压（mV）

半桥电压（mV）

全桥电压（mV）

4、应变片半桥特性

除实验接线按图1—9接线，电桥单元中R1、R2与相邻的二片应变片组成电桥电路外。

实验步骤和实验数据处理方法与步骤3完全相同。

实验完毕，关闭电源。

（接11根线）

图1—9应变式传感器半桥接线示意图

5、应变片全桥特性

除实验接线按图1—10接线，四片应变片组成电桥电路。

实验步骤和实验数据处理方法与步骤3完全相同。

实验完毕，关闭电源。

（接13根线）

图1—10应变片全桥特性实验接线示意图

五、数据分析

1、同一个坐标纸上描出X-V曲线。

2、根据表1数据计算系统灵敏度S＝ΔV/ΔW（ΔV输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ，δ=Δm/yFS×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：

yFS满量程输出平均值，此处为200g。

3、结论

六、思考题

1．ΔR转换成ΔV输出用什么方法?

2．根据图1-8机头中应变梁结构，在托盘上放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变方向（是拉?

还是压?

）?

七、注意事项：

1、在更换应变片时应将电源关闭。

2、在实验过程中如有发现电压、过载，应将电压量程扩大。

3、在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。

4、直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。

5、接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。

6、实验过程中的放大器增益必须相同。

实验二电涡流传感器实验

一、实验目的：

1、掌握电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。

2、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

二、基本原理：

电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。

电涡流式传感器由传感器线圈和被测物体（导电体—金属涡流片）组成，如图2-1（a）所示。

根据电磁感应原理，当传感器线圈（一个扁平线圈）通以交变电流（频率较高，一般为1MHz～2MHz）I1时，线圈周围空间会产生交变磁场H1，当线圈平面靠近某一导体面时，由于线圈磁通链穿过导体，使导体的表面层感应出呈旋涡状自行闭合的电流I2，而I2所形成的磁通链又穿过传感器线圈，这样线圈与涡流“线圈”形成了有一定耦合的互感，最终原线圈反馈一等效电感，从而导致传感器线圈的阻抗Z发生变化。

可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环，这样就可得到如图2-1（b）的等效电路。

图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。

短路环可以认为是一匝短路线圈，其电阻为R2、电感为L2。

线圈与导体间存在一个互感M，它随线圈与导体间距的增大而减小。

为实现电涡流位移测量，必须有一个专用的测量电路。

这一测量电路（称之为前置器，也称电涡流变换器）应包括具有一定频率的稳定的震荡器和一个检波电路等。

电涡流传感器位移测量实验框图如图2—2所示。

  图2-1（a）电涡流传感器原理图  图2-1（b）电涡流传感器等效电路图

图2—2电涡流位移特性实验原理框图

根据电涡流传感器的基本原理，将传感器与被测体间的距离变换为传感器的Q值、等效阻抗Z和等效电感L三个参数，用相应的测量电路（前置器）来测量。

本实验的涡流变换器为变频调幅式测量电路，电涡流变换器原理图与面板如图2—3所示。

电路组成：

⑴Q1、C1、C2、C3组成电容三点式振荡器，产生频率为1MHz左右的正弦载波信号。

电涡流传感器接在振荡回路中，传感器线圈是振荡回路的一个电感元件。

振荡器作用是将位移变化引起的振荡回路的Q值变化转换成高频载波信号的幅值变化。

⑵D1、C5、L2、C6组成了由二极管和LC形成的π形滤波的检波器。

检波器的作用是将高频调幅信号中传感器检测到的低频信号取出来。

⑶Q2组成射极跟随器。

射极跟随器的作用是输入、输出匹配以获得尽可能大的不失真输出的幅度值。

图2—3电涡流变换器原理图

电涡流传感器是通过传感器端部线圈与被测物体（导电体）间的间隙变化来测物体的振动相对位移量和静位移的，它与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（从0～10Hz）。

当无被测导体时，振荡器回路谐振于f0，传感器端部线圈Q0为定值且最高，对应的检波输出电压Vo最大。

当被测导体远离传感器线圈时，线圈Q值发生变，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线变得平坦，检波出的幅值Vo变小。

Vo变化反映了位移ｘ的变化。

电涡流传感器可以在位移、振动、转速、探测、厚度等测量上得到应用。

三、需用器件与单元：

机头静态位移安装架、电涡流传感器（其阻值10Ω左右）、被测体（铁圆片）、测微头、主板电压/频率表、电涡流位移传感器模块。

四、实验步骤：

1．观察传感器结构，这是一个平绕线圈。

调节测微头初始位置的刻度值为5mm处，按图2—4安装测微头、被测体、电涡流传感器（注意安装顺序：

先将测微头的安装套插入安装架的安装孔内，再将被测体套在测微头的测杆上；其次在安装架上固定好电涡流传感器；将电涡流传感器尾部的信号电缆插入机头的电涡流插座。

最后平移测微头安装套使被测体与传感器端面相贴时拧紧测微头安装孔的紧固螺钉），如图2—4所示。

图2-4电涡流传感器安装示意图

1、从实验箱主板上的传感器输出单元的“涡流”插孔接两根线到“电涡流位移传感器模块”，并将模块输出端接电压/频率表。

如图2-5所示。

2、将电压/频率表量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后开启主电源开关，记下电压表读数，然后逆时针调节测微头微分筒每隔0.5mm读一个数，直到输出Vo变化很小为止并将数据列入表1。

实验完毕，关闭所有电源。

3、将被测体铁圆片换成铝圆片，实验方法与步骤同上。

并将数据列入表2。

实验完毕，关闭所有电源。

图2-5电涡流传感器实验接线图

表1电涡流传感器位移X与输出电压数据

X（mm）

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

Vo（V）铁

表2被测体为铝圆片时的位移X与输出电压数据

X（mm）

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

Vo（V）

铝

五、数据分析：

1、根据表1、2数据，分别画出V－X曲线，根据曲线找出线性区域并计算灵敏度和线性度（可用最小二乘法或其它拟合直线）。

2、分析说明不同材质性质对电涡流传感器特性的影响。

3、结论。

六、体会

实验三

（1）差动变压器性能实验

一、实验目的：

1、掌握差动变压器的工作原理和特性。

2、掌握零点残余电动势的概念及减少的方法。

二、基本原理：

差动变压器的工作原理类似变压器的工作原理。

差动变压器的结构如图3—1所示，由一个一次绕组1和二个二次绕组2、3及一个衔铁4组成。

差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。

由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器，通常简称差动变压器。

当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图3—2所示。

图中U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：

L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。

对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互

图3—1差动变压器的结构示意图3—2差动变压器的等效电路图

感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。

由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。

当衔铁移向二次绕组L21，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。

在传感器的量程内，衔铁位移越大，差动输出电动势就越大。

同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。

因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。

差动变压器的输出特性曲线如图3—3所示.图中E21、E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势，x表示衔铁偏离中心位置的距离。

其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。

Eo为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。

零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标。

为了减小零点残余电动势可采取以下方法：

图3—3 差动变压器输出特性

1．尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。

磁性材料要经过处理，

消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。

2．选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。

既可判别衔铁移动方向又可改善输出特性，减小零点残余电动势。

3．采用补偿线路减小零点残余电动势。

图3—4是其中典型的几种减小零点残余电动势的补偿电路。

在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整W1、W2时，可使零点残余电动势减小。

（a）（b）（c）

图3—4 减小零点残余电动势电路

三、需用器件与单元：

机头静态位移安装架、传感器输入插座、差动变压器、测微头、主板音频振荡器单元、电感单元（电感的阻值10Ω左右）、示波器。

四、实验步骤

1．将差动变压器和测微头安装在机头的静态位移安装架上，如下图9－5，Li为初级线圈（一次线圈）；Lo1、Lo2为次级线圈（二次线圈）；＊号为同名端。

差动变压器的原理图参阅图3—2。

2．按图3—6示意接线，差动变压器的原边Li的激励电压（绝对不能用直流电压激励）必须从主板中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上主电源开关。

3．调节音频振荡器的频率为1KHz（可输入到频率表2K档来监测或示波器上读出）；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（示波器第一通道监测）。

图3—5差动变压器性能实验安装示意图

图3—6差动变压器性能实验接线示意图

5．差动变压器的性能实验：

使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可采用如下方法实验：

调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。

松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉，再顺时针方向转动测微头的微分筒12圈，左位移6mm，记录此时的测微头读数和示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）值为实验起点值。

以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒，每隔△X=0.5mm（可取25点值）即逆时针方向转动测微头的微分筒1圈，右位移0.5mm，从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表1（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差）。

实验完毕，关闭电源。

表1差动变压器性能实验数据

△X（mm）

6.0

5.5

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Vp-p（mV）

△X（mm）

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

-3.0

-3.5

-4.0

-4.5

-5.0

-5.5

-6.0

Vp-p（mV）

五、数据分析

1、根据表1数据画出X－Vp-p曲线，分析曲线并计算不同测量范围（±2.0mm、±4.0mm、±6.0mm）时的灵敏度和非线性误差。

2.计算差动变压器的线性工作区和零点残余电压大小。

3、总结减少零点残余电压大小的方法。

六、思考题：

1．试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

2．用直流电压激励会损坏传感器，为什么？

实验三

（2）激励频率对差动变压器特性的影响实验

一、实验目的：

了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。

二、基本原理：

差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式：

表示，式中LP、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若

，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当

时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。

三、需用器件与单元：

机头静态位移安装架、传感器输入插座、差动变压器、测微头、主板音频振荡器单元、电感单元（电感的阻值10Ω左右）、示波器。

四、实验步骤：

1、差动变压器及测微头的安装、接线同“差动变压器的性能实验”。

2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关，调节主机箱音频振荡器LV输出频率为1KHZ（可用主机箱的频率表监测频率），Vp-p＝2V（示波器监测Vp-p）。

调节测微头微分筒使差动变压器的铁芯处于线圈中心位置即输出信号最小时（示波器监测Vp-p最小时）的位置。

3、调节测微头位移量△Ｘ为2.50mm，差动变压器有某个较大的Vp-p输出。

4、在保持位移量不变的情况下改变激励电压（音频振荡器）的频率从1KHZ—9KHZ（激励电压幅值2Ｖ不变）时差动变压器的相应输出的Vp-p值填入表10。

表10相同位移下激励频率于输出电压（峰-峰值）的关系

F（KHz）

Vp-p（v）

1、作出F-Vp-p曲线，计算灵敏度。

实验四光纤传感器的位移特性实验

一、实验目的：

掌握光纤传感器的工作原理和性能，掌握光纤传感器的静态标定方法和测量位移的原理和方法。

二、基本原理：

光纤传感器是利用光纤的特性研制而成的传感器。

光纤具有很多优异的性能，例如：

抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

光纤传感器主要分为两类：

功能型光纤传感器及非功能型光纤传感器（也称为物性型和结构型）。

功能型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤，构成“传”和“感”合为一体的传感器。

这里光纤不仅起传光的作用，而且还起敏感作用。

工作时利用检测量去改变描述光束的一些基本参数，如光的强度、相位、偏振、频率等，它们的改变反映了被测量的变化。

由于对光信号的检测通常使用光电二极管等光电元件，所以光的那些参数的变化，最终都要被光接收器接收并被转换成光强度及相位的变化。

这些变化经信号处理后，就可得到被测的物理量。

应用光纤传感器的这种特性可以实现力，压力、温度等物理参数的测量。

非功能型光纤传感器主要是利用光纤对光的传输作用，由其他敏感元件与光纤信息传输回路组成测试系统，光纤在此仅起传输作用。

本实验采用的是传光型光纤位移传感器，它由两束光纤混合后，组成Y形光纤，半园分布即双D分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。

两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距d，由光源发出的光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，如图4—1所示。

发射光

接收光

（a）光纤测位移工作原理（b）Y形光纤

图4—1Y形光纤测位移工作原理图

   传光型光纤传感器位移量测是根据传送光纤之光场与受讯光纤交叉地方视景做决定。

当光纤探头与被测物接触或零间隙时（d=0），则全部传输光量直接被反射至传输光纤。

没有提供光给接收端之光纤，输出信号便为“零”。

当探头与被测物之距离增加时，接收端之光纤接收之光量也越多，输出信号便增大，当探头与被测物之距离增加到一定值时，接收端光纤全部被照明为止，此时也被称之为“光峰值”。

达到光峰值之后，探针与被测物之距离继续增加时，将造成反射光扩散或超过接收端接收视野。

使得输出之信号与测量距离成反比例关系。

如图4—2曲线所示，一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。

图16—2光纤位移特性曲线

三、器件与单元：

机头静态位移安装架、测微头、被测体（铁圆片抛光反射面）、光纤传感器、光纤座（光电变换）、主板电压/频率表、光纤输出口、光纤传感器模块。

四、实验步骤：

1．观察光纤结构并检查光纤是否正常：

二根多模光纤组成Y形位移传感器。

将二根光纤尾部端面（包铁端部）对住自然光照射，观察探头端面现象，当其中一根光纤的尾部端面用不透光纸挡住时，在探头端观察面为半圆双D形结构，则表示光纤正常。

2．按图4—3示意安装光纤位移传感器。

⑴光纤安装：

安装光纤时，要用手抓捏两根光纤尾部的包铁部分轻轻插入光纤座中,绝对不能用手抓捏光纤的黑色包皮部分进行插拔，插入时不要过分用力,以免损坏光纤座组件中光电管。

⑵测微头、被测体安装：

调节测微头的微分筒到5mm处（测微头微分筒的0刻度与轴套5刻为对准）。

将测微头的安装套插入静态位移安装架的安装孔内并在测微头的测杆上套上被测体（铁圆片抛光反射面），移动测微头安装套使被

图4—3光纤传感器位移实验安装示意图

测体的反射面紧贴住光纤探头并拧紧安装孔的紧固螺钉。

⑶按图4—4示意接线，接4根线。

3．光纤位移传感器模块调零：

检查接线无误后合上主电源开关，将电压/频率表的量程切换开关切换到20V档。

将光纤位移传感器模块的增益按顺时针方向轻轻转到底，调节光纤位移传感器的调零使电压/频率表显示为零。

图4—4光纤传感器位移实验接线示意图

4．