現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)試驗(yàn)一

1、實(shí)驗(yàn)一金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饨饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)及單臂電橋工作原理和性能。二、基本原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，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： RRK。式中： RR 為電阻絲電阻相對(duì)變化， K 為應(yīng)變靈敏系數(shù)， =L/L 為電阻絲長度相對(duì)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)變敏感元件，通過它反映被測(cè)部位受力狀態(tài)的變化。電橋 的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。單臂電橋輸出電壓Uo1= EK /4。三、實(shí)驗(yàn)器材主機(jī)箱 （4V、 15V 、電壓表 ）、應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤

2、、砝碼、萬用表、導(dǎo)線等。圖 1 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖如圖 1，將托盤安裝到應(yīng)變傳感器的托盤支點(diǎn)上，應(yīng)變式傳感器（電子秤傳感器）已安裝在應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)?板上。傳感器左下角應(yīng)變片為R1，右下角為 R2，右上角為 R3 ，左上角為 R4。當(dāng)傳感器托盤支點(diǎn)受壓時(shí)， R1、R3 阻值增加， R2、 R4 阻值減小。圖 2-2，應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械腞1、R2、R3、R4 為應(yīng)變片。沒有文字標(biāo)記的 5 個(gè)電阻是空的，其中 4 個(gè)組成電橋模型是為實(shí)驗(yàn)者組成電橋方便而設(shè)的。傳感器中 4 片應(yīng)變片和加熱電阻已 連接在實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降?R1、R2、R3、R4 和加熱器上。 可用萬用表進(jìn)行測(cè)量判別，常態(tài)時(shí)應(yīng)變片

3、阻值為350，加熱絲電阻值為 50 左右。圖 2 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、接線示意圖圖 3 單臂電橋工作原理圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1、根據(jù)圖 3 工作原理圖、圖 2 接線示意圖安裝接線。2、放大器輸出調(diào)零 將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳戏糯笃鞯膬奢斎攵丝谝€暫時(shí)脫開，再用導(dǎo)線將兩輸入端短接（Vi 0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器 RW3 大約到中間位置 （先逆時(shí)針旋到底，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)2 圈）；將主機(jī)箱電壓表的量程切換開關(guān)打到 2V 檔，合上主機(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器 RW4，使電壓表顯示為零。3、電橋調(diào)零 拆去放大器輸入端口的短接線，將暫時(shí)脫開的引線復(fù)原。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄?RW1 ，使電壓表顯

4、示為零。4、應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn) 在應(yīng)變傳感器的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（或 500 g）砝碼加完。實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表 1，畫出實(shí)驗(yàn)曲線。5、根據(jù)表 2-1 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度 SU/W（U 為輸出電壓變化量， W 為重量變化量） 和非線性誤差 。= m/yFS 100式中 m 為輸出值（多次測(cè)量時(shí)為平均值）與擬合直線的最大偏差； yFS 為滿量程輸出平 均值，此處為 200g（或 500g ）。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。6、利用虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如下表：重量/g020406080100120140160180200電壓 /

5、mV05101520253035404550從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出電壓和重量呈線性關(guān)系，即：繪制出電壓與重量的關(guān)系曲線如下圖所示 靈敏度 。 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓完全與重量呈線性關(guān)系，故 ，則非線性誤差 。六、思考題單臂電橋工作時(shí)，作為橋臂電阻的應(yīng)變片應(yīng)選用：（ 1）正（受拉）應(yīng)變片； （ 2）負(fù)（受壓）應(yīng)變片（ 3）正、負(fù)應(yīng)變片均可以。答：正、負(fù)應(yīng)變片均可以，正負(fù)應(yīng)變都會(huì)帶來電阻值變化，進(jìn)而使電壓變化。實(shí)驗(yàn)三金屬箔式應(yīng)變片全橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私馊珮驕y(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)。二、基本原理全橋測(cè)量電路中， 將受力方向相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)叄?反的應(yīng)變片接入電橋鄰邊。 當(dāng)應(yīng)變片初始阻值 R1 R2R3

6、R4、其變化值 R1R2R3R4 時(shí)，其橋路輸出電壓 Uo3KE 。其輸出靈敏度比半橋又提 高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。三、實(shí)驗(yàn)器材主機(jī)箱 （4V、 15V 、電壓表 ）、應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⑼斜P、砝碼、萬用表、導(dǎo)線等。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、根據(jù)圖 4 工作原理圖、圖 5 接線示意圖安裝接線。2、差動(dòng)放大器調(diào)零 將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳戏糯笃鞯膬奢斎攵丝谝€暫時(shí)脫開，用導(dǎo)線將兩輸入口短接（Vi 0）；調(diào)節(jié)放大器的增益電位器 R W3 大約到中間位置 （先逆時(shí)針旋到底，再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)2 圈）；將主機(jī)箱電壓表的量程切換開關(guān)打到 2V 檔，合上主機(jī)箱電源開關(guān)；調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０宸糯笃鞯恼{(diào)零電位器 R W4， 使

7、電壓表顯示為零。3、電橋調(diào)零 恢復(fù)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳戏糯笃鞯膬奢斎肟诮泳€，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系臉蚵菲胶怆娢黄鱎W1 ，使主機(jī)箱電壓表顯示為零。4、應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn) 在應(yīng)變傳感器的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（或 500 g）砝碼加完。5、計(jì)算靈敏度 S UW ，非線性誤差 。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。6、利用虛擬儀器進(jìn)行測(cè)量。圖 4 全橋工作原理圖圖 5 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、接線示意圖五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如下表：重量 /g020406080100120140160180200電壓 /mV011223550627890101123136繪制出電壓與重量的

8、關(guān)系曲線如下圖所示利用最小二乘法對(duì)曲線進(jìn)行擬合得靈敏度 S等于擬合直線的斜率，即S=0.68 mV/g。依次求各個(gè)測(cè)量值與擬合值的誤差：所以當(dāng) w=180g ，偏差最大，即，非線性誤差六、思考題1、測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（如 R1、R3 為對(duì)邊）電阻值 R 相同時(shí)，即 R1 R3，R2R4，而 R1R2 時(shí)，是否可 以組成全橋： （ 1）可以；（ 2）不可以。答：（2）可以，只要開始將電橋調(diào)零，就可以抵消電阻阻值不同造成的誤差。2、某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測(cè)試時(shí)在棒材上貼了兩組應(yīng)變片，如圖6，能否如何利用四片應(yīng)變片組成電橋，是否需要外加電阻。圖 6 受拉力時(shí)應(yīng)變式傳感器圓周面展開圖 答：左側(cè)的

9、貼法在有拉力時(shí)，四個(gè)應(yīng)變片的阻值變化趨勢(shì)相同，組成電橋時(shí)電橋會(huì)始終平衡，所以無法測(cè)得拉力， 需要外加電阻才能實(shí)現(xiàn)拉力測(cè)量；右側(cè)的貼法在有拉力時(shí)， 、 的變化趨勢(shì)相同，與 、 的變化趨勢(shì)相反， 所 以可以組成電橋?qū)崿F(xiàn)拉力測(cè)量，無需外加電阻。3、金屬箔式應(yīng)變片單臂、半橋、全橋性能比較基本原理如圖7（a）、（ b）、（ c）。比較單臂、半橋、全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析，闡述原因，得出相應(yīng)的結(jié)論。注意：比較實(shí)驗(yàn)中，（ a）、（ b）、（c）放大電路的放大器增益必須相同。圖 7 應(yīng)變電橋 單臂 U0 U1 U3 （R1R1）（R1 R1R2）R4（R3R4）E（1R1R1）（1

10、R1R1R2R2）（R4R3）（ 1R4R3）E設(shè) R1R2R3R4，且 R1R11。U0（14）（ R1R1）E所以電橋的電壓靈敏度： SU0（R1R1）kE （14）E 半橋U0（12）（ R1R1）ES（12）E 全橋U0（ R1 R1）ESE4、金屬箔式應(yīng)變片的溫度影響 電阻應(yīng)變片的溫度影響主要有兩個(gè)方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應(yīng)變柵的線膨脹系數(shù)與彈性體（或被測(cè)試件）的線 膨脹系數(shù)不一致而產(chǎn)生附加應(yīng)變。當(dāng)溫度變化時(shí)，即使被測(cè)體受力狀態(tài)不變，輸出也會(huì)有變化。 按照全橋性能實(shí)驗(yàn)步驟，將 200g 砝碼放在砝碼盤上，在數(shù)顯表上讀取數(shù)值 。 將主機(jī)箱中直流穩(wěn)壓電源 5V 、地（）接于實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓募?/p>

11、熱器 6V 、地（）插孔上， 數(shù)分鐘后待數(shù)顯表電壓顯示基本穩(wěn)定后，記下讀數(shù) 。（ ）即為溫度變化的影響。 溫度變化產(chǎn)生的相對(duì)誤差： 如何消除金屬箔式應(yīng)變片溫度影響？ 答：應(yīng)用橋式電路，這樣當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變片的阻值變化相同，電橋仍然能平衡，所以橋式電路可以抑 制溫漂。實(shí)驗(yàn)五差動(dòng)變壓器的性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獠顒?dòng)變壓器的工作原理和特性。二、基本原理差動(dòng)變壓器由一只初級(jí)線圈和二只次線圈及一個(gè)鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實(shí)驗(yàn) 采用三段式結(jié)構(gòu)。當(dāng)被測(cè)體移動(dòng)時(shí)差動(dòng)變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感發(fā)生 變化促使次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化 （一只次級(jí)感

12、應(yīng)電勢(shì)增加， 另一只感應(yīng)電勢(shì)則減少） 。將兩只次級(jí)反向串接 （同 名端連接），引出差動(dòng)電勢(shì)輸出。其輸出電勢(shì)反映出被測(cè)體的移動(dòng)量。三、實(shí)驗(yàn)器材主機(jī)箱、差動(dòng)變壓器、差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉y(cè)微頭、雙蹤示波器、萬用表、導(dǎo)線等。四、實(shí)驗(yàn)步驟圖 8 差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⒔泳€圖1、按圖 8 接線。 將差動(dòng)變壓器和測(cè)微頭安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ茏希?L1 為初級(jí)線圈； L2、 L3 為次級(jí)線圈；號(hào)為同名端。2、差動(dòng)變壓器的原邊 L1 的激勵(lì)電壓從主機(jī)箱中音頻振蕩器的 Lv 端子引入， 檢查接線無誤后合上總電源開關(guān)， 調(diào) 節(jié)音頻振蕩器的頻率為 45KHz （可用主機(jī)箱的頻率表輸入 Fin 來監(jiān)測(cè)）；調(diào)節(jié)輸出幅度

13、峰峰值為 Vp-p 2V（可 用示波器監(jiān)測(cè)： X 軸為 0.2ms/div ）。3、松開測(cè)微頭的安裝緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套使差動(dòng)變壓器的次級(jí)輸出（示波器第二通道）波形Vp-p 為較小值（變壓器鐵芯大約處在中間位置） 。擰緊緊固螺釘，仔細(xì)調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒使差動(dòng)變壓器的次級(jí)輸出波形Vp-p 為最小值（零點(diǎn)殘余電壓） ，并定為位移的相對(duì)零點(diǎn)。這時(shí)可以左右位移，假設(shè)其中一個(gè)方向?yàn)檎灰疲瑒t另 一個(gè)方向位移為負(fù)。4、從零點(diǎn)（次級(jí)輸出波形 Vp-p 為最小值）開始旋動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔 0.2mm （可取 10 25 點(diǎn)）從示波器 上讀出輸出電壓 Vp-p 值，填入表 3-1。一個(gè)方向結(jié)束后，再

14、將測(cè)位頭退回到零點(diǎn)反方向做相同的位移實(shí)驗(yàn)。從零點(diǎn)決定位移方向后，測(cè)微頭只能按所定方向調(diào)節(jié)位移，中途不允許回調(diào)，否則，由于測(cè)微頭存在機(jī)械回差 而引起位移誤差。實(shí)驗(yàn)時(shí)每點(diǎn)位移量須仔細(xì)調(diào)節(jié)，絕對(duì)不能調(diào)節(jié)過量而回調(diào)，如過量則只好剔除這一點(diǎn)繼續(xù)做下一 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)或者回到零點(diǎn)重新做實(shí)驗(yàn)。當(dāng)一個(gè)方向行程實(shí)驗(yàn)結(jié)束，做另一方向時(shí)，測(cè)微頭回到次級(jí)輸出波形 Vp-p 最小 處時(shí)它的位移讀數(shù)有變化（沒有回到原來起始位置） ，這是正常的。做實(shí)驗(yàn)時(shí)位移取相對(duì)變化量為定值，只要中途測(cè)微頭不回調(diào)就不會(huì)引起位移誤差。5、實(shí)驗(yàn)過程中注意差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出的最小值即為差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓根據(jù)表3-1 畫出 Vop-p X 曲線，作

15、出位移為 1mm 、 3mm 時(shí)的靈敏度和非線性誤差。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如下表：X/mm-4.0-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50Vop-p/mV0.6250.5550.4990.4150.3560.2830.2160.1420.073X/mm0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0Vop-p/mV0.1440.2180.2860.3530.4140.4970.5550.6220.6990.776繪制出 Vop-p X 曲線如下圖所示當(dāng) 時(shí)，故靈敏度當(dāng) 時(shí)，當(dāng) 時(shí)，故靈敏度，故靈敏度當(dāng) 時(shí)，故靈敏度對(duì) X0 所測(cè)得的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得對(duì) X0的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得V= 76.6789*X+2.0196; 對(duì) 該組中 X0的數(shù)據(jù) 進(jìn)行 線性擬 合，得V=-76.9643*X-0.25 。故