工程測(cè)試技術(shù)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、工程測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1 / 19目 錄實(shí)驗(yàn)一 電阻應(yīng)變片的原理及應(yīng)用3實(shí)驗(yàn)二 電容式傳感器的原理及應(yīng)用8實(shí)驗(yàn)三 光纖傳感器原理及應(yīng)用11實(shí)驗(yàn)四 光電和磁電傳感器原理及應(yīng)用14實(shí)驗(yàn)一 電阻應(yīng)變片的原理及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? / 191. 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(diǎn)。3. 了解全橋測(cè)量電路的優(yōu)點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：雙桿式懸臂梁應(yīng)變傳感器、托盤(pán)、砝碼、數(shù)顯電壓表、5V 電源、差動(dòng)放大器、電壓放大器、萬(wàn)用表（自備）。 三、實(shí)驗(yàn)原理： 單臂電橋?qū)嶒?yàn)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

2、應(yīng)的關(guān)系式為 （1-1）式中為電阻絲電阻相對(duì)變化； 為應(yīng)變靈敏系數(shù)； 為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化。金屬箔式應(yīng)變片就是通過(guò)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(gè)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(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)圖 通過(guò)這些應(yīng)變片轉(zhuǎn)換懸臂梁被測(cè)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(gè)單臂電橋，其輸出電壓 （1-2）E為電橋電源電壓； 式 1-2表明

3、單臂電橋輸出為非線(xiàn)性，非線(xiàn)性誤差為3 / 19圖 1-2 單臂電橋面板接線(xiàn)圖 半橋性能實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(shí)，半橋的輸出電壓為 （1-3）式中為電阻絲電阻相對(duì)變化； 為應(yīng)變靈敏系數(shù)； 為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)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(xiàn)性關(guān)系。圖1-3 半橋面板接線(xiàn)圖全橋測(cè)量電路全橋測(cè)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(duì)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(shí)，其橋路輸出5 / 19 （1-4）式中E為電橋電源

4、電壓。為電阻絲電阻相對(duì)變化；式1-4表明，全橋輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線(xiàn)性誤差得到進(jìn)一步改善。圖1-4 全橋面板接線(xiàn)圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 單臂電橋?qū)嶒?yàn)1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(wàn)用表測(cè)量判別，R1=R2=R3=R4=350。 2按圖 1-2 只接好“差動(dòng)放大器”和“電壓放大器”部分，將“差動(dòng)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(kāi)啟直流電源開(kāi)關(guān)。將“差動(dòng)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(shí)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(kāi)關(guān)電源。

5、（兩個(gè)增益調(diào)節(jié)的位置確定后不能改動(dòng)）3按圖1-2接好所有連線(xiàn)，將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變電阻（如R1）接入電橋與R6、R7、R8 構(gòu)成一個(gè)單臂直流電橋。電橋輸出接到“差動(dòng)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(pán)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(pán)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表 1-1。 表1-15 / 19重量（g）電壓(mv)半橋性能實(shí)驗(yàn)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(dòng)放大器”和“電壓放大器電路”?！安顒?dòng)放大

6、器”調(diào)零，參考實(shí)驗(yàn)A步驟2。 3按圖 1-3接線(xiàn)，將受力相反（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(pán)后電橋調(diào)零，參考實(shí)驗(yàn)步驟4。5在應(yīng)變傳感器托盤(pán)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，填入表1-2。表1-2重量（g）電壓(mv)全橋測(cè)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(dòng)放大器調(diào)零，參考實(shí)驗(yàn)步驟2。 3按圖1-4接線(xiàn)，將受力相反（一片受拉，一片受壓）的兩對(duì)應(yīng)變片分別接入電橋的鄰邊。 4加托盤(pán)后電橋調(diào)零，參考實(shí)驗(yàn)步驟4。 5在應(yīng)變傳感器托盤(pán)上放置一只砝碼，

7、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(shí)驗(yàn)結(jié)果，填入下表。表1-3重量（g）電壓(mv)6 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，整理好實(shí)驗(yàn)設(shè)備。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 單臂電橋?qū)嶒?yàn)1根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算單臂電橋的非線(xiàn)性誤差f1=m/yF.S 100。式中m為輸出值（多次測(cè)量時(shí)為平均值）與擬合直線(xiàn)的最大偏差；yFS為滿(mǎn)量程（200g）輸出平均值。 7 / 19半橋性能實(shí)驗(yàn)根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算靈敏度S=U/W和半橋的非線(xiàn)性誤差f2。全橋測(cè)量電路根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算靈敏度S=U/W和全橋的非線(xiàn)性誤差f3。六、思考題 1、引

8、起半橋測(cè)量時(shí)非線(xiàn)性誤差的原因是什么？2、全橋測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、R3 為對(duì)邊）電阻值R相同時(shí)，即R1R3，R2R4，而R1R2時(shí)，是否可以組成全橋？七、注意事項(xiàng) 實(shí)驗(yàn)所采用的彈性體為雙桿式懸臂梁稱(chēng)重傳感器，量程較小。因此，加在傳感器上的壓力不應(yīng)過(guò)大（稱(chēng)重傳感器量程為0.5kg），以免造成應(yīng)變傳感器的損壞！ 7 / 19實(shí)驗(yàn)二 電容式傳感器的原理及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解電容傳感器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。 2. 了解電容式傳感器進(jìn)行位移量測(cè)量的應(yīng)用。3. 了解電容傳感器的動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量原理與方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器 電容傳感器、電容變換器、測(cè)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、

9、信號(hào)源、頻率/轉(zhuǎn)速表、振動(dòng)源、示波器。三、實(shí)驗(yàn)原理 電容式傳感器是指能將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器它實(shí)質(zhì)上是具有一個(gè)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(duì)介電常數(shù)，由此可以看出當(dāng)被測(cè)物理量使 S、d 或r發(fā)生變化時(shí)，電容量 C 隨之發(fā)生改變，如果保持其中兩個(gè)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(lèi)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(gè)下

10、極板，當(dāng)下極板隨被測(cè)物體移動(dòng)時(shí)，兩只電容器上下極板的有效面積一只增大， 一只減小，將三個(gè)極板用導(dǎo)線(xiàn)引出，形成差動(dòng)電容輸出。通過(guò)處理電路將電容的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，進(jìn)行測(cè)量。圖 2-1 電容傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 電容式傳感器進(jìn)行位移量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線(xiàn)） 8 / 193打開(kāi)直流電源開(kāi)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

11、示為0（選擇2V檔）。（增益調(diào)節(jié)電位器確定后不能改動(dòng)） 4旋動(dòng)測(cè)微頭推進(jìn)電容傳感器的中間極板（下極板），左右各移動(dòng)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(dòng)態(tài)性能的測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(xiàn)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(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線(xiàn)）。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(shí)針旋到底） ，通過(guò)“緊定旋

12、鈕”使電容傳感器的動(dòng)極板處于中間位置，使電壓表顯示為零。2將信號(hào)源Us2接到“振動(dòng)源輸入”，Us2頻率選“10-15Hz”之間，振動(dòng)幅度初始調(diào)到零。 3檢查接線(xiàn)無(wú)誤后，打開(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)Us2激勵(lì)信號(hào)的幅度，用示波器觀(guān)察“電容變換器”輸出波形。將幅度調(diào)至Vp-p為8V。 9 / 19圖2-4 電容傳感器動(dòng)態(tài)試驗(yàn)接線(xiàn)圖4保持Us2的幅度旋鈕不變，改變振動(dòng)頻率（用數(shù)顯頻率計(jì)監(jiān)測(cè)），用示波器測(cè)出 Uo 輸出的峰-峰值。填入下表。表2-2振動(dòng)頻率（HZ）Vp-p(V)五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1、根據(jù)表2-1的數(shù)據(jù)計(jì)算電容傳感器的系統(tǒng)靈敏度S和非線(xiàn)性誤差f。2、分析差動(dòng)電容傳感器測(cè)量振動(dòng)的波形，作F-Vp-p 曲

13、線(xiàn)，找出振動(dòng)源的固有頻率。六、注意事項(xiàng) 當(dāng)頻率較小時(shí)，振動(dòng)幅度較小，輸出波形毛剌較為嚴(yán)重（毛剌為機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生），實(shí)驗(yàn)頻率可從10Hz左右開(kāi)始，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)像較為明顯。10 / 19實(shí)驗(yàn)三 光纖傳感器原理及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?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(cè)轉(zhuǎn)速的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器 Y 型光纖傳感器、測(cè)微頭、反射面、差動(dòng)放大器、電壓放大器、數(shù)顯電壓表 頻率/轉(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)動(dòng)源、示波器。三、實(shí)驗(yàn)原理 反射式光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)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

14、和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過(guò)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(shí)，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(diǎn)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(cè)量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測(cè)量線(xiàn)性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測(cè)。圖3-1 反射式光纖位移傳感器原理11 / 19圖3-2 光纖位移傳

15、感器安裝示意圖光纖傳感器的測(cè)速實(shí)驗(yàn)利用光纖位移傳感器探頭對(duì)旋轉(zhuǎn)被測(cè)物反射光的明顯變化產(chǎn)生電脈沖， 經(jīng)電路處理即可測(cè)量轉(zhuǎn)速。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 反射式光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)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(duì)準(zhǔn)鍍鉻反射板（鐵質(zhì)材料圓盤(pán)），固定在測(cè)微頭上。按圖3-3接線(xiàn)，電壓放大器的輸出接直流電壓表。2將測(cè)微頭起始位置調(diào)到10cm處，手動(dòng)使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定測(cè)微頭。 3將“差動(dòng)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(kāi)直流電源開(kāi)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)

16、零電位器使電壓表顯示為零。 5旋動(dòng)測(cè)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（mm）U0(V)圖3-3 光纖位移傳感器接線(xiàn)圖 光纖傳感器的測(cè)速實(shí)驗(yàn)1將光纖傳感器安裝在傳感器升降架上，使光纖探頭對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)邊緣的反射點(diǎn)，探頭距離反射點(diǎn) 1mm左右（在光纖傳感器的線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)）。接線(xiàn)如圖4-3所示。 13 / 192用手撥動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，使探頭避開(kāi)反射面（對(duì)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(dòng)） 。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

17、開(kāi)直流電源開(kāi)關(guān)，將024V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源分別接至“轉(zhuǎn)動(dòng)源輸入”和“直流電壓表” ，改變電壓，可以觀(guān)察到轉(zhuǎn)動(dòng)源轉(zhuǎn)速的變化，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速（穩(wěn)定時(shí)間約1分鐘）。也可用示波器觀(guān)測(cè)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(dòng)電壓（V）+6V+8V+10V+12V+14V+16V+18V+20V轉(zhuǎn)速n（rpm）五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1. 根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定光纖位移傳感器大致的線(xiàn)性范圍，并給出其靈敏度和非線(xiàn)性誤差。2. 分析光纖傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速原理，根據(jù)記錄的驅(qū)動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)速，作V-n曲線(xiàn)。六、注意事項(xiàng)光纖請(qǐng)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(huì)光通量損耗加大造成靈敏度

18、下降。13 / 19實(shí)驗(yàn)四：光電和磁電傳感器原理及應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 了解光電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)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(shí)驗(yàn)儀器 1. 轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)原理 1. 光電傳感器實(shí)驗(yàn)原理：光電式轉(zhuǎn)速傳感器有反射型和透射型二種，本實(shí)驗(yàn)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(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)上的孔透射到光電管上，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于轉(zhuǎn)盤(pán)上有等間距的6個(gè)透射孔，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將獲得與轉(zhuǎn)速及透射孔數(shù)有關(guān)的脈沖，將電脈計(jì)數(shù)處理即可得到轉(zhuǎn)速值。2. 磁電傳

19、感器實(shí)驗(yàn)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(xiàn)圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于線(xiàn)圈所包圍的磁通對(duì)時(shí)間的變化率，即 其中W 是線(xiàn)圈匝數(shù)，為線(xiàn)圈所包圍的磁通量（本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)永磁磁鋼接近傳感器時(shí)，磁通量增加，反之，減?。?。若線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)速度為v 或角速度，則上式可改為 或 e=-WBS， l為每匝線(xiàn)圈的平均長(zhǎng)度； B 為線(xiàn)圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度； S 為每匝線(xiàn)圈的平均截面積。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 1.光電傳感器實(shí)驗(yàn)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(dòng)源上，將“024V直流穩(wěn)壓電源”接至“轉(zhuǎn)動(dòng)源輸入”。調(diào)節(jié)024V 直流穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)源。將+5V電源接到底面板上轉(zhuǎn)動(dòng)源傳感器輸出部分，Uo1為“光電”輸出端，將Uo1與接地端分別接到頻率/轉(zhuǎn)速表的“f/n輸入”的正、負(fù)端。14 / 19圖4-1 光電測(cè)轉(zhuǎn)速安裝示意圖打開(kāi)直流電源開(kāi)關(guān)，用不