中南大学机械工程技术测试技术实验报告.docx

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中南大学机械工程技术测试技术实验报告

机械工程测试技术基础

实

验

报

告

：

***

班级：

*****

学号：

********

时间：

2018-5-12

实验一金属箔式应变片――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

应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表

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：

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组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。

图1-1

图1-2全桥面板接线图

通过这些应变片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，如图1-2所示,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，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

Uo=E

（1-1）

E为电桥电源电压，R为固定电阻值，

四、实验容与步骤

1．应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。

2．差动放大器调零。

从主控台接入±15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。

将电位器Rw4调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw3使电压表显示为0V。

关闭主控台电源。

（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）。

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。

电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1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，记下实验结果，填入下表。

重量

（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压

（mV）

-0.2

133

264

391

533

670

807

943

1079

1215

1351

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L=ΔU/ΔW和全桥的非线性误差δ。

1.计算灵敏度L，L=ΔU/ΔW

重量

（g）

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

电压

（mV）

-0.2

133

264

391

533

670

807

943

1079

1215

1351

1）用Excel拟合得到如下图线

2）由拟合曲线，得L=6.7759mV/g

2.计算全桥的非线性误差δ

1）

由拟合图线求得的理论值及差值

2）非线性误差δ=ΔVmax/（Vmax-Vmin）=9.3995/1351.2=0.70%

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？

答：

不可以。

七、讨论与分析总结

通过本次实验，我了解了用全桥电路测重的方便性，以及全桥电路的高灵敏性，相信通过本次实验可以帮助我在以后的实验以及学习中更好地运用全桥电路。

实验二、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

差动变压器模块、测微头、差动变压器、信号源、±15V直流电源、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，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。

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2-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。

图2-1差动变压器安装图

图2-2差动变压器模块接线图

2．接入±15V直流稳压电源，将差动式传感器专用引线插头插入实验模块的插座中，音频信号由信号源的“Us1”处输出，打开实验台电源，调节音频信号的频率和幅度（用示波器监测），使输出信号频率为4-5kHz，幅度为Vp-p=0.5V，按图12-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出，接放大器输入端）。

3．用示波器观测Uo的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰－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，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入下表，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。

V

（mV）

0.07

0.13

0.19

0.26

0.34

0.40

0.47

0.54

0.60

X（mm）

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

V

（mV）

0.67

0.74

0.82

0.86

0.92

0.99

1.07

X（mm）

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

V

（mV）

0.07

0.12

0.19

0.28

0.36

0.44

0.51

0.58

0.63

X（mm）

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1.0

-1.2

-1.4

-1.6

V

（mV）

0.70

0.77

0.83

0.90

0.98

1.05

1.12

X（mm）

-1.8

-2.0

-2.2

-2.4

-2.6

-2.8

-3.0

4．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12－1画出Vp-p－X曲线，作出量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

1.残余电压大小为0.07mV

2.Vp-p－X曲线:

3.量程为±1mm、±3mm灵敏度和非线性误差。

1）±1mm时拟合得到的图线及对应的数据表格

2）±1mm时的灵敏度L、非线性误差δ分别为

+1mm

-1mm

灵敏度mV/mm

0.3357

0.38

非线性误差

2.45%

4.52%

3）±3mm时拟合得到的图线及对应的数据表格

4）±3mm时的灵敏度L、非线性误差δ分别为

+3mm

-3mm

灵敏度mV/mm

0.3333

0.3505

非线性误差

1.99%

1.91%

六、注意事项

实验过程中加在差动变压器原边的音频信号幅值不能过大，以免烧毁差动变压器传感器。

七、思考题

在本实验中，如果将两只次级线圈正向串接会产生出差动输出吗？

若有输出。

其变化反映了什么？

答：

正向串接不会产生差动输出；此时有输出，输出反映了两次级线圈两端电动势之和的大小。

八、讨论与分析总结

在调节测微头时应仔细缓慢单向的调节位移，并不要调节过量，避免回程差

产生的误差。

采用补偿线路可减小零点残余电压，使差动传感器测量更准确。

实验三、电容式传感器的位移特性实验

一、实验目的

了解电容传感器的结构及特点

二、实验仪器

电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套

三、实验原理

电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。

利用平板电容器原理：

（3-1）

式中，S为极板面积，d为极板间距离，ε0真空介电常数，εr介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或εr发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。

所以电容传感器可以分为三种类型：

改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。

这里采用变面积式，如图3-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。

图3-1电容传感器部结构示意图

四、实验容与步骤

1．按图3-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。

图3-2电容传感器安装示意图

2．将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。

3．接入±15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。

（Rw确定后不能改动）

4．旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表

X（mm）

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

V（mV）

4

8

12

16

19

23

26

29

32

五、实验报告

根据表中的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δ。

1.系统灵敏度S

1）由Excel拟合得到图线如下

2）由图线得，灵敏度L=17.5mV/mm

2.非线性误差

1）

由拟合图线求得的理论值及差值

2）δ=ΔVmax/（Vmax-Vmin）=0.7778/28=2.78%

六、思考题

本实验是改变了那个参数引起电容量的变化？

是差动式吗？

画出本实验的

原理图。

答：

改变的参数是面积；是差动式；原理图

七、讨论与分析总结

通过本次实验，同学们在老师的悉心指导下，了解了电容传感器的结构及特

点。

总体来说，这个实验还是比较简单的。

主要的基本原理，在基础课上都有学

过，因而理解起来相对容易。

实验过程主要就是认真去对待，认真观察、仔细纪录数据，这样才能尽可能地减小实验误差，同时能提高我们的实验动手能力和错误分析能力。