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机械工程测试技术实验指导书——传感器与检测技术罗烈雷编机械工程系测试技术实验指导书第2页共32页2机械工程测试技术实验指导书——传感器与检测技术一、测试技术实验的地位和作用《传感器与检测技术》课程，在高等理工科院校机械类各专业的教学计划中，是一门重要的专业基础课，而实验课是完成本课程教学的重要环节。其主要任务是通过实验巩固和消化课堂所讲授理论内容的理解，掌握常用传感器的工作原理和使用方法，提高学生的动手能力和学习兴趣。其目的是使学生掌握非电量检测的基本方法和选用传感器的原则，培养学生独立处理问题和解决问题的能力。二、应达到的实验能力标准1、通过应变式传感器实验，掌握理论课上所讲授的应变片的工作原理，并验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。2、通过差动变压器静态位移性能测试和差动变压器零点残余电压的补偿电路设计，掌握理论课上所讲授的差动变压器的工作原理和零点残余电压的补偿措施。3、通过电涡流式传感器的静态标定和被测体材料对电涡流式传感器特性的影响实验，掌握理论课上所讲授的电涡流式传感器的原理及工作性能，验证不同性质被测体材料对电涡流式传感器性能的影响。4、通过差动面积式电容传感器的静态及动态特性测试，了解差动面积式电容传感器的工作原理及其特性。5、通过磁电感应式传感器的性能和霍尔式传感器直流静态位移特性的测试方法，掌握磁电感应式传感器的工作原理及其性能和霍尔式传感器的工作原理及其特能。6、通过压电式传感器的动态响应和引线电容对电压放大器与电荷放大器的影响实验，掌握压电式传感器的原理、结构及应用和验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器的原理和使用方法。7、通过光敏三极管和光敏电阻的性能测试，掌握光电传感器的原理与应用方法。8、热电偶和热敏电阻的性能测试的方法，掌握热电偶的原理和NTC热敏电阻的工作原理和使用方法，并对传感器灵敏度线性度进行分析。测试技术实验指导书第3页共32页39、通过差动放大器和低通滤波器设计和测试，掌握差动放大器和滤波器的设计方法和性能测试方法。10、通过集成温度传感器AD590和DS1820设计，掌握输出电流型和新型单总线数字温度传感器的工作特性和使用方法。三、学时、教学文件及教学形式学时：本课程总学时为48学时，其中实验为8学时，占总学时的17%。教学文件：《测试技术实验指导书》，实验报告学生自拟。教学形式：本课程实验为验证性实验。学生实验前预习实验指导书，并写出预习报告。指导教师概述实验基本原理和方法及仪器使用方法等，并作针对性指导，具体实验步骤及测量数据处理由学生自行完成。四、实验成绩评定根据学生所组成的系统难易程度、数据图形的正确性、学习态度、实验技能、实验报告等综合评分。实验成绩占本课程总成绩15%，对缺实验成绩者．本课程不予通过。五、主要实验仪器设备双踪示波器、万用表、传感器综合实验仪等。六、实验基本要求熟练掌握实验的基本技能，学会正确使用仪器仪表，能独立設计检测电路、联接线路并完成实验，能分析并排除实验过程中的一般故障。实验后要正确处理原始数据并完成实验报告。七、实验项目开设序号实验名称内容提要实验要求实验时数实验类型每组人数所在实验室名称备注1金属箔式应变片：单臂.半桥.全桥比较实验验证单臂.半桥.全桥的性能必开2验证2测试技术实验室2电涡流式传感器的静态标定了解电涡流式传感器的原理及工作性能（静态特性）必开2验证23交流电桥的应用—振动的测量了解交流激励电桥的应用必开2验证24霍尔传感器的应用了解霍尔传感器在振动测量中的应用必开2验证2注：可按“实验目录”所列的实验项目利用课余时间选做其它实验。测试技术实验指导书第4页共32页4实验目录实验一金属箔式应变片――单臂电桥性能实验实验二金属箔式应变片――半桥性能实验实验三金属箔式应变片――全桥性能实验实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验实验五金属箔式应变片――温度影响实验实验六直流全桥的应用――电子秤实验实验七交流全桥的应用――振动测量实验实验八扩散硅压阻压力传感器的压力测量实验实验九扩散硅压阻压力传感器差压测量实验＊实验十差动变压器的性能实验实验十一激励频率对差动变压器特性的影响实验实验十二差动变压器零点残余电压补偿实验实验十三差动变压器的应用――振动测量实验实验十四电容式传感器的位移特性实验实验十五直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验电容传感器动态特性实验实验十六交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验十七霍尔测速实验实验十八磁电式转速传感器的测速实验霍尔式传感器振动测量实验实验十九用磁电式原理测量地震＊霍尔式传感器的应用――电子秤实验实验二十压电式传感器振动实验实验二十一电涡流传感器的位移特性实验实验二十二被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验测试技术实验指导书第5页共32页5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、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：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元件，通过它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，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。，对单臂电桥输出电压Uo1=EKε/4。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表（自备）。四、实验步骤：1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω，加热丝阻值为50Ω左右图1－1应变式传感器安装示意图2、接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置，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，输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显测试技术实验指导书第6页共32页6表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控箱电源（注意：当Rw3、Rw4的位置一旦确定，就不能改变。一直到做完实验三为止）。3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1（即模板左上方的R1）接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已接好），接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源±4V（从主控台引入）如图1－2所示。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。图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图4、在电子称上放置一只砝码，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（或500g）砝码加完。记下实验结果填入表1－1，关闭电源。重量(g)电压(mv)测试技术实验指导书第7页共32页75、根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差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满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。五、思考题：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、负应变片均可以。测试技术实验指导书第8页共32页8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、基本原理：不同受力方向的两只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。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UO2＝EKε／2。三、需用器件与单元：同实验一。四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤2，实验模板差动放大器调零。2、根据图1－3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，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，实验步骤3、4同实验一中4、5的步骤，将实验数据记入表1－2，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。测试技术实验指导书第9页共32页9图1－3应变式传感器半桥实验接线图表1－2半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量电压五、思考题：1、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。2、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。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、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，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U03＝KEε。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。三、需用器件和单元：同实验一四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。2、根据图1－4接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1－3；进行灵敏度和非线性误差计算。测试技术实验指导书第10页共32页101－4全桥性能实验接线图表1－3全桥输出电压与加负载重量值重量电压五、思考题：1、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。2、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，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻。图1－5应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同）。实验五金属箔式应变片的温度影响实验一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。R3R1R4R2R3R4R1R2FFFF测试技术实验指导书第11页共32页11二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的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。三、需用器件与单元：应变传感器实验模板、数显表单元、直流源、加热器（已贴在应变片底部）四、实验步骤：1、保持实验四的实验结果。2、放200g砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一整数值UO1。3、将5V直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot,Uot-U01即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差五、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？实验六直流全桥的应用――电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，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（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码四、实验步骤：1、按实验一中2的步骤，将差动放大器调零，按图1－4全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥平衡电位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RW4（零位调节）使数显表显示为0.0000V。%100UU