试验一金属箔式应变片单臂电桥性能试验上海电力学院网上试验.docx

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试验一金属箔式应变片单臂电桥性能试验上海电力学院网上试验

传感器技术实验指导书

（修订版）

电力与自动化工程学院

传感器技术实验室

目录

实验一金属箔式应变片及直流电桥实验（综合性）1

实验二金属箔式应变片的温度影响实验6

实验三直流全桥的应用——电子秤实验7

实验四差动变压器特性实验8

实验五电容式传感器的位移特性实验12

实验六霍尔式传感器的位移特性实验14

实验七磁电传感器测速实验17

实验八电涡流传感器特性实验18

实验九光纤传感器的位移特性实验20

实验十光纤传感器测速实验22

实验十一光电传感器的转速测量实验24

实验十二温度仪表PID控制实验25

实验十三温度传感器测温特性实验25

实验十四非标准热电偶的标定（设计性）29

实验十五气体流量的测定实验（演示性）30

实验十六计算机温度PID控制实验31

实验十七光敏电阻特性实验34

实验十八光敏二极管特性实验37

实验十九光敏三极管特性实验40

实验二十光电池特性实验42

附录：

数据分析相关知识45

实验一金属箔式应变片及直流电桥实验（综合性）

实验目的：

了解金属箔式应变片的应变效应，理解直流电桥的工作原理和性能。

比较单臂电桥、半桥、全桥的不同特性。

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：

式中

为电阻丝电阻的相对变化，

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元件，通过它转换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是将电阻的变化转变为电压变化，这样，电桥的输出电压即反映了应变片的受力状态。

单臂电桥输出电压可表示为：

O1

。

不同受力方向的两片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Uo2=

。

全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，不同受力方向的接入邻边，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Uo3=

。

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。

需用器件与单元：

应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。

实验内容和步骤：

一、单臂电桥实验

1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。

传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。

加热丝也接于模块上，在无压力作用下，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

2、接入模块电源±15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将实验模块调节增益电位器Rw3顺时针调节到中间位置（特别注意：

单臂电桥、半桥、全桥系统实验应始终保持差动放大器增益不变），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，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连，调节实验模块上调零电位器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。

3、将应变式传感器的其中一个应变片R1（即模块左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电位器Rw1，接上桥路电源±4V（从主控箱引入）如图1-2所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节Rw1，使数显表显示为零。

4、在电子秤上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码并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1-1，关闭电源。

表1-1单臂电桥输出电压与加负载重量值

重量（g）

0

20

40

60

80

100

……

200

电压（mv）

二、半桥性能实验

1、根据图1-3接线。

R1、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和R1受力方向相反。

接上桥路电源±4V（从主控箱引入）如图1-3所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节Rw1，使数显表显示为零。

2、在电子秤上放置一只砝码，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1-2，关闭电源。

表1-2半桥测量系统输出电压与加负载重量值

重量（g）

0

20

40

60

80

100

……

200

电压（mv）

3、将步骤1中R2换为R3，重复步骤1、2。

4、分析以上两种半桥接法哪种更合理。

5、若要求用R1、R3作为感应元件，则应如何连接桥路？

画出桥路连接示意图。

三、全桥性能实验

1、根据图1-4，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，组成直流电桥（全桥），接上桥路电源±4V（从主控箱引入）如图1-4所示。

检查接线无误后，合上主控箱电源开关。

调节Rw1，使数显表显示为零。

2、在电子秤上放置一只砝码，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1-3，关闭电源。

表1-3半桥测量系统输出电压与加负载重量值

重量（g）

0

20

40

60

80

100

……

200

电压（mv）

3、将步骤1中R1、R2位置互换，重复步骤1、2。

4、根据试验数据分析两种全桥的不同，哪种布置方法更合理？

5、根据实验一、二、三的结果，分别计算3个系统的灵敏度、非线性误差。

思考题：

1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：

（1）正（受拉）应变片；

（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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，如图1-5所示，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻?

实验二金属箔式应变片的温度影响实验

实验目的：

了解温度对应变片测量系统的影响。

基本原理：

电阻应变片的电阻值受温度的影响，主要来自两个方面的原因：

敏感栅丝的温度系数；应变栅线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。

因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。

需用器件与单元：

应变传感器实验模块、数显表单元、直流源、加热器（已贴在应变片底部）

实验步骤：

1、保持实验一中全桥实验结果及实验接线。

2、将200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取Uo1。

3、将5V直流稳压电源（主控箱）接于实验模块的加热器插孔上，数分钟后，待数显表电压显示值基本稳定后，记下读数Uot，Uot–Uo1即为温度变化对测量值的影响。

计算这一温度变化产生的相对误差

。

思考题：

1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？

2、应变式传感器可否用于测量温度？

实验三直流全桥的应用——电子秤实验

实验目的：

了解应变片直流全桥的应用及电路的标定方法。

基本原理：

电子秤实验原理为实验一中全桥测量原理，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（g）即成为一台原始电子秤。

需用器件与单元：

应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、±15V电源、±4V电源。

实验步骤：

1、将差动放大器调零，按图1-4全桥接线，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0.00V。

2、将10只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（增益即满量程调节），使数显表显示为0.200V（2V档测量）或-0.200V。

3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器Rw1及Rw4（零位调节），使数显表显示为0.000V或-0.000V。

4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲mV改为重量量纲g，就可称重，成为一台原始的电子秤。

5、把砝码依次放在托盘上，读取数据并填入下表：

重量（g）

0

20

40

80

100

120

140

160

180

200

电压（mv）

6、根据上表计算系统非线性误差。

实验四差动变压器特性实验

实验目的：

了解差动变压器的工作原理和特性。

基本原理：

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，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，将两只次级线圈反向串接，就引出差动输出。

其输出电势反映出被测体的位移量。

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为初级线圈与两次级线圈间的互感系数，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，对测量系统的稳定性不利。

由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈纵向排列的不均匀性，两二级线圈的不均匀、不一致，铁芯B-H特性的非线性等原因，当铁芯处于差动线圈中间位置时，差动输出电压并不为零。

即为零点残余电压。

需用器件与单元：

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

实验内容和步骤：

一、差动变压器的位移特性实验

1、根据图4-1，将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。

2、在模块上按照图4-2接线，音频振荡器信号从主控箱中的LV端子输出，调节音频振荡器的频率，使其为4~5KHz（可用主控箱的数显表的频率档Fin输入来监测）。

调节幅度使输出幅度为峰-峰值Vp-p=2V（可用示波器监测）。

3、移动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp-p为最小（该点记为零点）。

这时被测体可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则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从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表4-1。

再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意观察左、右位移时，初、次级波形的相位关系。

表4-1差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表

V（mv）

…

…

−←

0mm

→+

…

X（mm）

…

Vp-p最小

…

4、实验过程中，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4-1画出Vop-p-X曲线，分别计算出零点对称位置处量程为±1mm、±3mm时实验系统的灵敏度和非线性误差。

二、激励频率对差动变压器特性的影响实验

1、差动变压器安装接线见图4-1。

2、选择音频信号输出LV频率为1KHz。

（可用主控箱的数显表频率档显示频率）移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节Rw1、Rw2使输出变得尽可能小。

3、在零点位置对称区间内旋动测微头，每间隔0.2mm在示波器上读取一个Vp-p数据。

4、分别使激励频率为3KHz、5KHz、7KHz、9KHz，重复实验步骤1、2将测试结果记入表4-2。

表4-2不同激励频率时输出电压（峰-峰值）与位移X的关系。

……

1

3

5

7

9

作出每一频率时的V-X曲线，并计算其灵敏度，作出灵敏度与激励频率的关系曲线。

三、差动变压器零点残余电压补偿实验

1、按图4-3接线，音频信号源从LV插口输出，实验模块中R1、C1、Rw1、Rw2为电桥单元中调平衡网络。

2、调整音频振荡器输出LV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是经过放大后的零点残余电压）。

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、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。

本实验也可用图4-4所示线路，请分析原理。

实验五电容式传感器的位移特性实验

实验目的：

了解电容式传感器结构及其特点。

基本原理：

利用平板电容和其他参数的关系式

，通过相应的结构和测量电路，可以选择

、A、d三个参数中，保持两个参数不变，而只改变另一个参数，可以有测谷物干燥度、测微小位移和测量物位等多种电容传感器。

需用器件与单元：

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

实验步骤：

1、按图安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模块上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模块，实验线路见图5-2。

3、将电容传感器实验模块的输出端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。

4、接入±15V电源，旋动测微头推进电容传感器动极板位置，在零点位置对称区间（-2mm2mm）每隔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）

……

5、根据表5-1数据计算电容传感器实验系统的灵敏度和非线性误差。

思考题：

若要利用

的变化测量谷物的湿度，应考虑哪些因素？

实验六霍尔式传感器的位移特性实验

实验目的：

了解霍尔式传感器原理及交流激励时霍尔片的特性。

基本原理：

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

需用器件与单元：

霍尔传感器实验模块、霍尔传感器、直流源±4V、±15V、测微头、数显单元、相敏检波、移相、滤波模块、双线示波器。

实验内容和步骤：

一、直流激励时霍尔式传感器的位移特性

1、将霍尔传感器按图6-1安装。

霍尔传感器与实验模块的连接按图6-2进行。

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。

3、旋转测微头向轴向方向推进，霍尔片在磁钢中间位置附近每转动0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表6-1。

表6-1

X（mm）

……

V（mv）

……

4、作出V-X曲线，计算不同线性范围时测量系统的灵敏度和非线性误差。

二、交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

1、实验模块上连线见图6-3。

2、调节音频振荡器频率和幅度旋钮，从Lv输出用示波器测量，使输出频率为1KHz、峰-峰值为4V，引入电路中（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的位移，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，霍尔片在磁钢中间位置附近记下每转动0.2mm时表头读数，填入表6-2。

表6-2交流激励时输出电压和位移数据

X（mm）

……

V（mv）

……

6、根据表6-2作出V-X曲线，计算不同量程时的非线性误差。

实验七磁电传感器测速实验

实验目的：

了解磁电式传感器测量转速的原理。

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个磁钢时，每转一周，线圈感应电势产生N次变化，通过放大、整形和计数等电路即可测量转速。

需用器件与单元：

磁电传感器、数显单元测转速档、转速调节2-24V，转动源模块。

实验内容和步骤：

1、磁电式转速传感器按图7-1安装，传感器端面离转动盘面2mm左右，并且对准反射面内的磁钢。

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面板上的两个插孔）

2、将转速/频率开关选择转速测量档。

3、将转速调节电源2-24V用引线引入到面板上转动源单元中转动电源2-24V插孔，合上主控箱电源开关。

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。

思考题：

为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动？

实验八电涡流传感器特性实验

实验目的：

了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性，及不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。

。

基本原理：

通以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。

涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。

需用器件与单元：

电涡流传感器实验模块、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁、铜和铝的被测体小圆片。

实验内容和步骤：

一、电涡流传感器位移特性

1、根据图8-1安装电涡流传感器。

2、观察传感器结构，这是一个扁平绕线圈。

3、将电涡流传感器输出线接入实验模块上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。

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、将实验模块输出端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、用连接导线从主控台接入+15V直流电源到模块上标有+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位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm、5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。

二、被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验

1、将原铁圆片换成铝和铜圆片。

2、重复一各步骤，进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试，分别记入表8-2和表8-3。

表8-2被测体为铝圆片时的位移与输出电压数据

X（mm）

……

V（v）

……

表8-3被测体为铜圆片时的位移与输出电压数据

X（mm）

……

V（v）

……

3、根据表8-2和表8-3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。

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，如何根据使用量程选用传感器？

3、当被测体为非金属材料时，如何利用电涡流传感器进行测试？

实验九光纤传感器的位移特性实验

实验目的：

了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

基本原理：

本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤混合组成Y型光纤，探头为半圆分布，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，即探头，它与被测体相距X，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一束光纤接收反射光信号再由光电转换器转换成电压量，而光电转换器转换的电压量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。

需用器件与单元：

光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元、测微头、±15V直流源、反射面。

实验步骤：

1、根据图9-1安装光纤位移传感器，两束光纤插入实验板上的光电变换座孔上。

其内部已和发光管D及光电转换管T相接。

2、将光纤实验模块输出端Vo1与数显单元相连，见图9-2。

3、调节测微头，使探头与反射平板轻微接触。

4、实验模块接入±15V电源，合上主控箱电源开关，调Rw使数显表显示为零。

5、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读出数显表值，将其填入表9-1。

表9-1光纤位移传感器输出电压与位移数据

X（mm）

……

V（v）

……

6、根据表9-1的数据，分析光纤位移传感器的位移特性，计算在量程1mm时的灵敏度和非线性误差。

五、思考题：

光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？

实验十光纤传感器测速实验

实验目的：

了解光纤位移传感器用于测量转速的方法。

基本原理：

利用光纤位移传感器探头对旋转体被测物反射光的明显变化产生的电脉冲，经电路处理即可测量转速。

需用器件与单元：

光纤传感器、光纤传感器实验模块、数显单元测转速档、直流源±15V、转速调节2~24V，转动源模块。

实验步骤：

1、将光纤传感器按图10-1装于传感器支架上，使光纤探头与电机转盘平台中反射点对准。

2、将光纤传感器实验模块输出Vo1与数显电压表Vi端相接，接上实验模块上±15V电源，数显表的切换开关选择开关拨到2V档。

用手转动圆盘，使探头避开反射面（暗电流），合上主控箱电源开关，调节Rw使数显表显示接近零（≥0）。

再用手转动圆盘，使光纤探头对准反射点，调节升降支架高低，使数显表指示最大，重复1、2步骤，直至两者的电压差值最大，再将Vo1与转速/频率数显表Fin输入端相接，数显表的波段开关拨到转速档。

3、将转速调节2-24V，接入转动电源24V插孔上，使电机转动，逐渐加大转速源电压。

使电机转速盘加快转动，固定某一转速，观察并记下数显表上的读数n1。

4、固定转速电压不变，将选择开关拨到频率测量档，测量频率，记下频率读数，根据转盘上的测速点数折算成转速值n2。

5、将实验步骤4与实验步骤3比较，以转速n1作为真值计算两种方法的测速误差（相对误差），相对误差r=（（n1-n