《工程測試技術(shù)》實驗指導(dǎo)書

1、工程測試技術(shù)實驗指導(dǎo)書目 錄實驗一 電阻應(yīng)變片的原理及應(yīng)用3實驗二 電容式傳感器的原理及應(yīng)用8實驗三 光纖傳感器原理及應(yīng)用11實驗四 光電和磁電傳感器原理及應(yīng)用14實驗一 電阻應(yīng)變片的原理及應(yīng)用一、實驗?zāi)康模?. 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。2. 比較半橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點。3. 了解全橋測量電路的優(yōu)點。二、實驗設(shè)備：雙桿式懸臂梁應(yīng)變傳感器、托盤、砝碼、數(shù)顯電壓表、5V 電源、差動放大器、電壓放大器、萬用表（自備）。 三、實驗原理： 單臂電橋?qū)嶒炿娮杞z在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān)系式為 （1-1）

2、式中為電阻絲電阻相對變化； 為應(yīng)變靈敏系數(shù)； 為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感組件。如圖1-1所示，將四個金屬箔應(yīng)變片（R1、R2、R3、R4）分別貼在雙桿式懸臂梁彈性體的上下兩側(cè)，彈性體受到壓力發(fā)生形變，應(yīng)變片隨懸臂梁形變被拉伸或被壓縮。 圖1-1 雙桿式懸臂梁稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖 通過這些應(yīng)變片轉(zhuǎn)換懸臂梁被測部位受力狀態(tài)變化，可將應(yīng)變片串聯(lián)或并聯(lián)組成電橋。電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，如圖 1-2 所示 R6=R7=R8=R 為固定電阻，與應(yīng)變片一起構(gòu)成一個單臂電橋，其輸出電壓 （1-2）E為電橋電源電壓； 式 1-2表明單臂電橋輸出為非線性，非

3、線性誤差為圖 1-2 單臂電橋面板接線圖 半橋性能實驗不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，如圖1-3所示。電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善，當(dāng)兩只應(yīng)變片的阻值相同、應(yīng)變數(shù)也相同時，半橋的輸出電壓為 （1-3）式中為電阻絲電阻相對變化； 為應(yīng)變靈敏系數(shù)； 為電阻絲長度相對變化。E為電橋電源電壓。式 1-3表明，半橋輸出與應(yīng)變片阻值變化率呈線性關(guān)系。圖1-3 半橋面板接線圖全橋測量電路全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩只應(yīng)變片接到電橋的對邊，不同的接入鄰邊，如圖1-4，當(dāng)應(yīng)變片初始值相等，變化量也相等時，其橋路輸出 （1-4）式中E為電橋電源電壓。為電阻絲電阻相對變化；式1-4表明，全橋輸

4、出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差得到進(jìn)一步改善。圖1-4 全橋面板接線圖四、實驗內(nèi)容與步驟 單臂電橋?qū)嶒?懸臂梁上的各應(yīng)變片已分別接到調(diào)理電路面板左上方的 R1、R2、R3、R4上，可用萬用表測量判別，R1=R2=R3=R4=350。 2按圖 1-2 只接好“差動放大器”和“電壓放大器”部分，將“差動放大器”的輸入端短接并與地相連， “電壓放大器”輸出端接數(shù)顯電壓表（選擇 200mV 檔），開啟直流電源開關(guān)。將“差動放大器”增益電位器與“電壓放大器”增益電位器調(diào)至最大位置（順時針最右邊），調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使電壓表顯示為0V。關(guān)閉直流開關(guān)電源。（兩個增益調(diào)節(jié)的位置確定后不能改動）3按圖1-2

5、接好所有連線，將應(yīng)變式傳感器的其中一個應(yīng)變電阻（如R1）接入電橋與R6、R7、R8 構(gòu)成一個單臂直流電橋。電橋輸出接到“差動放大器”的輸入端，電壓放大器的輸出接數(shù)顯電壓表。預(yù)熱五分鐘。 4加托盤后調(diào)節(jié)Rw2使電壓表顯示為零（采用200mV 檔）。 5在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到 200g砝碼加完，記錄實驗數(shù)據(jù)填入表 1-1。 表1-1重量（g）電壓(mv)半橋性能實驗1應(yīng)變傳感器已安裝在懸臂梁上，可參考圖1-1。 2按圖1-3 接好“差動放大器”和“電壓放大器電路”?！安顒臃糯笃鳌闭{(diào)零，參考實驗A步驟2。 3按圖 1-3接線，將受力相反

6、（一片受拉，一片受壓）的兩只應(yīng)變片接入電橋的鄰邊。 4加托盤后電橋調(diào)零，參考實驗步驟4。5在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到 200g砝碼加完，記下實驗結(jié)果，填入表1-2。表1-2重量（g）電壓(mv)全橋測量電路1應(yīng)變傳感器已安裝在懸臂梁上，R1、R2、R3、R4均為應(yīng)變片，可參考圖1-1。 2差動放大器調(diào)零，參考實驗步驟2。 3按圖1-4接線，將受力相反（一片受拉，一片受壓）的兩對應(yīng)變片分別接入電橋的鄰邊。 4加托盤后電橋調(diào)零，參考實驗步驟4。 5在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增加砝碼和讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200

7、g砝碼加完，記下實驗結(jié)果，填入下表。表1-3重量（g）電壓(mv)6 實驗結(jié)束后，關(guān)閉實驗臺電源，整理好實驗設(shè)備。五、實驗報告 單臂電橋?qū)嶒?根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度SU/W（U輸出電壓變化量，W重量變化量）2計算單臂電橋的非線性誤差f1=m/yF.S 100。式中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差；yFS為滿量程（200g）輸出平均值。 半橋性能實驗根據(jù)所得實驗數(shù)據(jù)，計算靈敏度S=U/W和半橋的非線性誤差f2。全橋測量電路根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，計算靈敏度S=U/W和全橋的非線性誤差f3。六、思考題 1、引起半橋測量時非線性誤差的原因是什么？2、全橋測量中，當(dāng)兩組對邊（R1、R

8、3 為對邊）電阻值R相同時，即R1R3，R2R4，而R1R2時，是否可以組成全橋？七、注意事項 實驗所采用的彈性體為雙桿式懸臂梁稱重傳感器，量程較小。因此，加在傳感器上的壓力不應(yīng)過大（稱重傳感器量程為0.5kg），以免造成應(yīng)變傳感器的損壞！ 實驗二 電容式傳感器的原理及應(yīng)用一、實驗?zāi)康?1. 了解電容傳感器的結(jié)構(gòu)及特點。 2. 了解電容式傳感器進(jìn)行位移量測量的應(yīng)用。3. 了解電容傳感器的動態(tài)性能的測量原理與方法。二、實驗儀器 電容傳感器、電容變換器、測微頭、數(shù)顯直流電壓表、直流穩(wěn)壓電源、絕緣護(hù)套 、低通濾波器、信號源、頻率/轉(zhuǎn)速表、振動源、示波器。三、實驗原理 電容式傳感器是指能將被測物理量的

9、變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器它實質(zhì)上是具有一個可變參數(shù)的電容器。利用平板電容器原理： （2-1）式2-1中，S 為極板面積，d 為極板間距離，0為真空介電常數(shù)，r為介質(zhì)相對介電常數(shù)，由此可以看出當(dāng)被測物理量使 S、d 或r發(fā)生變化時，電容量 C 隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個參數(shù)不變而僅改變另一參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化單值地轉(zhuǎn)換為電容量的變化。所以電容傳感器可以分為三種類型：改變極間距離的變間隙式，改變極板面積的變面積式和改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。這里采用變面積式，如圖 2-1，兩只平板電容器共享一個下極板，當(dāng)下極板隨被測物體移動時，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大， 一只減小，將

10、三個極板用導(dǎo)線引出，形成差動電容輸出。通過處理電路將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，進(jìn)行測量。圖 2-1 電容傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖四、實驗內(nèi)容與步驟 電容式傳感器進(jìn)行位移量測量的實驗步驟1按圖2-2安裝好電容傳感器，并將電容傳感器引出線與“電容插座”相連接。2將底面板上“電容傳感器”與“電容變換器”相連， “電容變換器”的輸出接到數(shù)顯直流電壓表，如圖2-3所示。（注：此處應(yīng)選用三根相同長度的實驗導(dǎo)線） 3打開直流電源開關(guān)。將電容傳感器的下極板調(diào)至中間位置，調(diào)節(jié)電容變換器的增益調(diào)節(jié)旋鈕，使得數(shù)顯直流電壓表顯示為0（選擇2V檔）。（增益調(diào)節(jié)電位器確定后不能改動） 4旋動測微頭推進(jìn)電容傳感器的中間極板（下

11、極板），左右各移動1cm,每隔 0.2mm記下位移量X與輸出電壓值V的變化，填入下表2-1。表2-1X(mm)V(mV)圖2-2 電容傳感器安裝示意圖圖2-3 電容傳感器連接圖 電容傳感器的動態(tài)性能的測量實驗步驟1將電容傳感器安裝到升降架的懸臂梁上，傳感器引線接入“電容”插座。如圖2-4，將底面板上“電容傳感器”與“電容變換器”相連（注：選用三根相同長度的實驗導(dǎo)線）。將“電容變換器”的輸出端接“低通濾波器”的輸入端， “低通濾波器”輸出端接示波器。增益調(diào)節(jié)調(diào)到最大位置（順時針旋到底） ，通過“緊定旋鈕”使電容傳感器的動極板處于中間位置，使電壓表顯示為零。2將信號源Us2接到“振動源輸入”，Us

12、2頻率選“10-15Hz”之間，振動幅度初始調(diào)到零。 3檢查接線無誤后，打開直流電源，調(diào)節(jié)Us2激勵信號的幅度，用示波器觀察“電容變換器”輸出波形。將幅度調(diào)至Vp-p為8V。 圖2-4 電容傳感器動態(tài)試驗接線圖4保持Us2的幅度旋鈕不變，改變振動頻率（用數(shù)顯頻率計監(jiān)測），用示波器測出 Uo 輸出的峰-峰值。填入下表。表2-2振動頻率（HZ）Vp-p(V)五、實驗報告 1、根據(jù)表2-1的數(shù)據(jù)計算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線性誤差f。2、分析差動電容傳感器測量振動的波形，作F-Vp-p 曲線，找出振動源的固有頻率。六、注意事項 當(dāng)頻率較小時，振動幅度較小，輸出波形毛剌較為嚴(yán)重（毛剌為機(jī)械振動產(chǎn)生

13、），實驗頻率可從10Hz左右開始，實驗現(xiàn)像較為明顯。實驗三 光纖傳感器原理及應(yīng)用一、實驗?zāi)康?1.了解反射式光纖位移傳感器的原理與應(yīng)用。2.了解光纖位移傳感器用于測轉(zhuǎn)速的方法。二、實驗儀器 Y 型光纖傳感器、測微頭、反射面、差動放大器、電壓放大器、數(shù)顯電壓表 頻率/轉(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)動源、示波器。三、實驗原理 反射式光纖位移傳感器實驗反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。其原理如圖3-1所示，光纖采用型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接收到的光源

14、與反射體表面的性質(zhì)及反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射面時，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加， 到達(dá)最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。 反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測。圖3-1 反射式光纖位移傳感器原理圖3-2 光纖位移傳感器安裝示意圖光纖傳感器的測速實驗利用光纖位移傳感器探頭對旋轉(zhuǎn)被測物反射光的明顯變化產(chǎn)生電脈沖， 經(jīng)電路處理即可測量轉(zhuǎn)速。四、實驗內(nèi)容與

15、步驟 反射式光纖位移傳感器實驗1光纖傳感器的安裝如圖3-2所示，將Y 型光纖結(jié)合處安裝在傳感器固定支架上，光纖分叉兩端插入“光纖插座”中。探頭對準(zhǔn)鍍鉻反射板（鐵質(zhì)材料圓盤），固定在測微頭上。按圖3-3接線，電壓放大器的輸出接直流電壓表。2將測微頭起始位置調(diào)到10cm處，手動使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定測微頭。 3將“差動變壓器”與“電壓放大器”的增益調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)到中間位置。打開直流電源開關(guān)。 4將“電壓放大器”輸出端接到直流電壓表（20V檔），仔細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使電壓表顯示為零。 5旋動測微器，使反射面與光纖探頭端面距離增大，每隔0.1mm讀出一次輸出電壓值，填入下表3-1表3-1X（m

16、m）U0(V)圖3-3 光纖位移傳感器接線圖 光纖傳感器的測速實驗1將光纖傳感器安裝在傳感器升降架上，使光纖探頭對準(zhǔn)轉(zhuǎn)動盤邊緣的反射點，探頭距離反射點 1mm左右（在光纖傳感器的線性區(qū)域內(nèi)）。接線如圖4-3所示。 2用手撥動轉(zhuǎn)盤，使探頭避開反射面（對集合避免產(chǎn)生暗電流）， “電壓放大器”的輸出端接到直流電壓表輸入。調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使直流電壓表顯示為零。 （調(diào)零電位器確定后不能改動） 。3將電壓放大器輸出端接到頻率/轉(zhuǎn)速表的輸入“f / n”。 4打開直流電源開關(guān)，將024V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源分別接至“轉(zhuǎn)動源輸入”和“直流電壓表” ，改變電壓，可以觀察到轉(zhuǎn)動源轉(zhuǎn)速的變化，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速（

17、穩(wěn)定時間約1分鐘）。也可用示波器觀測電壓放大器輸出的波形。并將數(shù)據(jù)填入下表：表4-2驅(qū)動電壓（V）+6V+8V+10V+12V+14V+16V+18V+20V轉(zhuǎn)速n（rpm）五、實驗報告 1. 根據(jù)所得的實驗數(shù)據(jù)，確定光纖位移傳感器大致的線性范圍，并給出其靈敏度和非線性誤差。2. 分析光纖傳感器測量轉(zhuǎn)速原理，根據(jù)記錄的驅(qū)動電壓和轉(zhuǎn)速，作V-n曲線。六、注意事項光纖請勿成銳角曲折，以免造成內(nèi)部斷裂，端面尤其要注意保護(hù)，否則會光通量損耗加大造成靈敏度下降。實驗四：光電和磁電傳感器原理及應(yīng)用一、實驗?zāi)康?1. 了解光電轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速的原理及方法。2. 了解磁電式傳感器的原理及應(yīng)用。 二、實驗儀器

18、 1. 轉(zhuǎn)動源、光電傳感器、直流穩(wěn)壓電源、頻率/轉(zhuǎn)速表、示波器2. 轉(zhuǎn)動源、磁電感應(yīng)傳感器、024V 直流電源、頻率/轉(zhuǎn)速表、示波器三、實驗原理 1. 光電傳感器實驗原理：光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的，傳感器端部有發(fā)光管和光電池，發(fā)光管發(fā)出的光源通過轉(zhuǎn)盤上的孔透射到光電管上，并轉(zhuǎn)換成電信號，由于轉(zhuǎn)盤上有等間距的6個透射孔，轉(zhuǎn)動時將獲得與轉(zhuǎn)速及透射孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈計數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。2. 磁電傳感器實驗原理磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，線圈兩端的感應(yīng)電動勢正比于線圈所包圍的磁通對時間的變化率，即 其中W 是線圈匝數(shù)，為線圈所包圍的磁通量（本實驗中當(dāng)永磁磁鋼接近傳感器時，磁通量增加，反之，減?。?。若線圈相對磁場運動速度為v 或角速度，則上式可改為 或 e=-WBS， l為每匝線圈的平均長度； B 為線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； S 為每匝線圈的平均截面積。 四、實驗內(nèi)容與步驟 1.光電傳感器實驗內(nèi)容與步驟：如圖4-1所示，光電傳感器已經(jīng)安裝在轉(zhuǎn)動源上，將“024V直流穩(wěn)壓電源”接至“轉(zhuǎn)動源輸入”。調(diào)節(jié)024V 直流穩(wěn)壓電源驅(qū)動轉(zhuǎn)動源。將+5V電源接到底面板上轉(zhuǎn)動源傳感器輸出部分，Uo1為“光電”