測試技術(shù)試驗指導書要點

1、測試技術(shù)實驗指導書武漢輕工大學機械工程學院二O七年九月目 錄實驗教學要求CSY-10B專感器系統(tǒng)實驗儀介紹實驗項目實驗一應變片單臂特性實驗 12實驗二應變片半橋特性實驗 20實驗三應變片全橋特性實驗 21實驗四應變片單臂、半橋、全橋特性比較實驗 22實驗五應變片的溫度影響實驗 23實驗六應變片溫度補償實驗 24實驗七應變直流全橋的應用一電子秤實驗 25實驗八移相器、相敏檢波器實驗 27實驗九應變片交流全橋的應用（應變儀）一振動測量實驗 31實驗十壓阻式壓力傳感器的壓力測量實驗 33實驗一電容式傳感器的位移實驗 35實驗十二差動變壓器的性能實驗 38實驗十三激勵頻率對差動變壓器特性的影響實驗 4

2、2實驗十四差動變壓器零點殘余電壓補償實驗 43實驗十五差動變壓器測位移實驗 44實驗十六差動變壓器振動測量實驗 46實驗十七電渦流傳感器位移特性實驗 47實驗十八被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特性影響實驗 51實驗十九電渦流傳感器測振動實驗 52實驗二十壓電式傳感器測振動實驗 53實驗二十一熱電偶的原理及現(xiàn)象實驗 57實驗二十二NTC熱敏電阻溫度特性實驗 59實驗二十三PN結(jié)溫度傳感器溫度特性實驗 62實驗二十四線性霍爾式傳感器位移特性實驗65實驗二十五磁電式傳感器特性實驗 68實驗二十六光電傳感器測轉(zhuǎn)速實驗 70實驗二十七光纖位移傳感器測位移特性實驗 71實驗二十八氣敏傳感器實驗 74實驗二十九濕

3、敏傳感器實驗 75實驗三十數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗一靜態(tài)采集舉例 77實驗三十一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實驗一動態(tài)采集舉例 79102實驗教學要求在實驗教學的內(nèi)容上分三大模塊:1. 物理量測試實驗（位移測量實驗、轉(zhuǎn)速測量實驗等） 實驗課堂學時：2學時：有多種選擇如：位移測量實驗；可選實驗十、十七、十八、二十四、二十七 轉(zhuǎn)速測量實驗：可選實驗二十六2傳感器及其測試系統(tǒng)實驗實驗課堂學時：2學時。：應變片及其測試系統(tǒng)實驗：可選實驗一至實驗七。3.振動測試及信號采集與分析實驗實驗課堂學時：2學時。有如下選擇：計算機輔助測試系統(tǒng)實驗：可選實驗十九、二十、二十五、三十 以上為指定實驗項目，此外還可做其他自選實驗項目。二、實驗

4、報告的要求及書寫對實驗報告的要求：實驗報告是一種工程文件，是實驗研究的產(chǎn)物。報告的內(nèi)容及書寫質(zhì)量的好壞，對實驗 的價值影響很大。盡管實驗是成功的，但是由于報告中結(jié)果、結(jié)論表達得不準確或不完整， 甚至由于書寫質(zhì)量不好造成錯誤，則有損于實驗的價值。學生完成教學實驗報告，雖然不是正式的工程技術(shù)文件，但是至少是一次作業(yè)，是為學 生將來進行工程實驗、科學研究書寫實驗報告打基礎而做的練習。因此在書寫教學實驗報告 時，也應該按工程實驗的要求進行訓練。具體要求是：1 內(nèi)容屬實。報告內(nèi)容是實驗的總結(jié)，因此結(jié)論要如實，數(shù)據(jù)要可靠。2 語言要明確、簡潔。所謂“明確”就是書寫報告時，要選用恰當?shù)脑~語，組織通順 的句子

5、明白、準確、簡潔地表達實驗的內(nèi)容。3 書寫工整。報告書寫格式要正確。錯別字要盡量少，圖表要符合規(guī)范。最好采用統(tǒng) 一規(guī)格的實驗報告紙書寫。好的實驗報告來自于認真的實驗和精心的總結(jié)。只有認真做好實驗中的每一個步驟，獲 取正確的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過精心整理成文，才能達到要求。實驗報告的基本內(nèi)容:實驗報告至少應包括以下一些基本內(nèi)容1、實驗名稱2、實驗目的3、實驗儀器和設備、實驗對象4、測試原理概述5、測試過程6、測試結(jié)果及分析、實驗小結(jié)及體會，也可結(jié)合各實驗的思考題來寫這些內(nèi)容應根據(jù)具體實驗情況來書寫。切忌不顧實際實驗情況，抄幾段實驗指導書的內(nèi)容補充幾個數(shù)據(jù)敷衍了事。對以上內(nèi)容，在書寫報告時應注意下面一些問題

6、實驗名稱不可任意簡化。因為有些實驗的名稱既有內(nèi)容的含義，又有原理的含義。如“壓電式加速度計靈敏度的校準”簡化為“加速度計的校準”就表達不出實驗用的加速度計的結(jié)構(gòu)和校準內(nèi)容了。實驗目的是實驗和書寫報告的基礎。每次實驗的目的都是很清楚明了的，實驗中應緊緊圍繞這個目的。實驗儀器與設備及實驗對象根據(jù)實驗中所用的，列出清單，應畫出實驗儀器和設備及實驗對象的相互連接圖，以進一步說明各臺儀器和設備的用途。測試過程不是實驗步驟的簡單羅列，而是用簡潔的語言表達實驗結(jié)果是怎樣得到的。測試結(jié)果可以用圖、表、數(shù)字、文字及表達式等多種形式表達。表達實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)、單位要準確，必要時應該對數(shù)據(jù)的整理方法、表達式的含義等做

7、簡要說明。一、頭驗儀組成CSY-10B型傳感器實驗儀介紹CSY10B傳感器實驗儀：主要由機殼、機頭（傳感器安裝臺） 感器輸出單元、傳感器轉(zhuǎn)換放大處理電路單元）等組成。1、機殼：機殼內(nèi)部裝有直流穩(wěn)壓電源、振蕩信號板等。2、機頭（傳感器安裝平臺）：、顯示面板、調(diào)理電路面板（傳機頭圖由懸臂雙平行梁和振動臺組成。、雙平行梁（應變梁）：在雙平行梁的上、下梁片表面粘貼了應變片；封裝了PN結(jié)、NTC RT熱敏電阻、熱電偶、力口熱器；在梁的自由端安裝了壓電傳感器、激振器（磁鋼、激振線圈）和測微頭。測微頭：調(diào)節(jié)測微頭產(chǎn)生力或位移，做靜態(tài)實驗。激振器：激勵雙平行梁振動，做動態(tài)實驗。、振動臺：在振動臺周圍安裝了光電

8、轉(zhuǎn)速傳感器、電渦流傳感器、光纖傳感器、差動變壓器、壓阻式壓力傳感器、電容式傳感器、磁電式傳感器、霍爾式傳感器；在振動臺的下方安裝了激振器（磁鋼、激振線圈）；在振動臺的上方安裝了測微頭。測微頭：調(diào)節(jié)測微頭產(chǎn)生力或位移，做靜態(tài)實驗。激振器：激勵振動臺梁振動，做動態(tài)實驗。3、顯示面板：由主電源單元、電機控制單元、直流穩(wěn)壓電源單元、F/ V表（電壓表）單元、 PC 口單元、電流表（頻率/轉(zhuǎn)速表）單元、音頻振蕩器單元、低頻振蕩器單元、土15V電源單元等組成。4、調(diào)理電路面板：由傳感器輸出單元、畐U電源、電橋、差動放大器、電容變換器、電壓放大器、移相器、相敏檢波器、電荷放大器、低通濾波器、渦流變換器等組成

9、。5、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件： 詳見三、V9.0數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件。*備注：實驗儀的具體配置根據(jù)型號不同有差異，以具體型號的實物為準。二、主要技術(shù)參數(shù)、性能及說明（一）、傳感器（機頭）部分：1、 電阻應變片：電阻值 350Q左右；應變系數(shù)為 2。2、 熱電偶：直流電阻 10Q左右（由兩個串接而成）；分度號為T;冷端為環(huán)境溫度。3、熱敏電阻：NTC半導體熱敏電阻；25C時為10KQ左右。4、 PN結(jié)溫度傳感器：利用1N4148良好的溫度線性電壓特性；靈敏度為-2.1mV/ C。5、 壓電加速度傳感器：由壓電陶瓷片和銅質(zhì)量塊構(gòu)成；電荷靈敏度為20pc/g。6、 光電轉(zhuǎn)速傳感器：透射式光電耦合器（光

10、電斷續(xù)器）；TTL電平輸出。8、電渦流傳感器：直流電阻 1 Q2Q ;位移量程1mm9、光纖傳感器：由半圓雙 D分布的多模光纖和光電變換座構(gòu)成；位移量程 1mm10、差動變壓器：一個初級線圈、二個次級線圈（自感式）和鐵芯構(gòu)成；三個線圈直流電阻分別為5Q10Q ;音頻3KHz5KHz、電壓峰峰值為 Vp-p = 2V激勵；位移量程土 4mm11、 壓阻式壓力傳感器：Vs+ Vs-端直流電阻為 4.7K Q左右、Vo+ VO-端直流電阻為 7KQ左 右；4V直流電源供電；量程為 20kPa。2mm。12、電容式傳感器：由兩組定片和一組動片構(gòu)成差動變面積電容；量程土13、 磁電式傳感器：由線圈和動鐵

11、構(gòu)成；直流電阻30Q40 Q ;靈敏度為500mV/ （m/s）。14、霍爾式傳感器：霍爾片置于環(huán)形磁鋼產(chǎn)生的梯度磁場中構(gòu)成位移傳感器；傳感器激勵端口直流電阻800 Q1.5K Q ,輸出端口直流電阻 400Q600Q ;位移量程1mm15、 氣敏傳感器：酒精敏感型，TP-3集體半導體氣敏傳感器；測量范圍50500ppm16、 濕敏傳感器：電阻型，阻值變化幾MQ幾KQ ;測量范圍30% RH- 90% RH17、 激振線圈：振動激振器，直流電阻30Q40Q。18、光電變換座：由紅外發(fā)射、接收管構(gòu)成，是光纖傳感器的組件之一。19、其它：25mm測微頭、加熱器；光源、光敏電阻、光敏二、三極管；硅光

12、電池、光電開關(guān)。*備注：傳感器配置根據(jù)型號不同有差異，以具體型號的實物為準。（二）、顯示面板部分：玄機溯主IrtT絃6H«X聲巒pc接口咅鎖振彩器I斤壩帳琳需顯示面板圖1、線性直流穩(wěn)壓電源：、土 2V土 10V分五檔步進調(diào)節(jié)輸出，最大輸出電流1A,紋波w 5mV、土 15V定電壓輸出，最大輸出電流 1A,紋波w 10mV2、顯示表：、三位半數(shù)字直流電壓表：三檔量程（200mV 2V、20V）切換，精度± （0.2 %）+ 2個字。、三位半數(shù)字直流 F/V（頻率/電壓）表：五檔（200mV 2V、20V、2KHz 20KHZ）切換，精度± （0.2 %）+ 2個字。

13、、四位頻率/轉(zhuǎn)速數(shù)字表：頻率一轉(zhuǎn)速切換，頻率量程9999Hz,轉(zhuǎn)速量程5000n/min。、三位半數(shù)字直流電流表：四檔量程（200mA 20mA 200卩A 20卩A）切換，精度± ( 0.2 %)+ 2個字。3、振湯信號、音頻振蕩器：頻率 0.4KHZ10KHZ連續(xù)可調(diào)輸出，幅度 20Vp-p連續(xù)可調(diào)輸出，二個輸出相位0°( Lv)、180°，Lv端最大輸出電流 0.5A。、低頻振蕩器：頻率 3Hz30Hz連續(xù)可調(diào)輸出，幅度 20Vp-p連續(xù)可調(diào)輸出，最大輸出電 流 0.5A。4、PC接口：最大允許輸入電壓 DC ± 10V。*備注：顯示面板功能、配置

14、根據(jù)型號不同有差異，以具體型號的實物為準。(三八調(diào)理電路面板：移相相畋檢謹器©&&a JI nf?L©彎PLCSY-998吃傳感器實驗儀(調(diào)理電路面板圖1、傳感器輸出單元:*備注：根據(jù)型號不同有差異，以具體型號的實物為準。2、調(diào)理電路單元：X2 ? ? 丄 &卑91&佻J-® 電壓敵犬粘WF丄早f rXfU ©丄u丄U丄1KfLA©辛L»ino * q別電闊CSY-998型傳感器實驗儀、電橋：由電橋模型、電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡組成。組成直流電橋時作為應變片、熱電阻的變換電 路；組成交流電橋時作為調(diào)制器。、差動放

15、大器：可接成同相、反相、差分放大器。通頻帶010KHz,增益1101倍可調(diào)。、電容變換器：差動式電容傳感器的調(diào)理電路。由高頻振振蕩器、放大器、二極管環(huán)形充放電電路組成。、電壓放大器：同相輸入放大器。通頻帶010KHZ,幅度最大時增益約為 6倍。、移相器：移相范圍 20°,允許最大輸入電壓峰峰值為Vp-p = 10V。在解調(diào)電路中用于補償信號的相位。、相敏檢波器：由整形電路與電子開關(guān)電路構(gòu)成的檢波電路。允許最大輸入檢波信號峰峰值為 Vp-p = 10V,通頻帶 010KHZ。、電荷放大器：電容反饋型放大器。用于放大壓電傳感器的輸出信號。、低通濾波器：由 50Hz的陷波器與低通 RC濾波

16、器構(gòu)成。轉(zhuǎn)折頻傳 35Hz左右。、渦流變換器：渦流傳感器的調(diào)理電路，渦流線圈是振蕩電路中的電感元件之一為變頻調(diào)幅式電路。（四）、實驗儀供電與尺寸：供電：AC 220V 50Hz 功率 0.2kW實驗儀尺寸為520X 400X 400（mm）。三、V9.0數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件簡介（一）、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件：V9.0版V9.0版數(shù)據(jù)采集卡是在原 V8.0版基礎上的一個升級版本，針對目前市售的傳感器實驗系統(tǒng)所配的采集卡動態(tài)范圍太小，分辨率和精度過低的缺點，V9.0版采用了工業(yè)級的解決方案，達到了很高的測量精度和動態(tài)范圍，接口部分采用 RS-232/USB接口，方便用戶的實際使用。該采集卡能完全滿足

17、實驗的要求。具體技術(shù)指標如下：1、接口標準：RS-232或USB接口2、A/D: 12 位3、通道數(shù)：A B通道4、采樣：同步5、采樣頻率：100KHz（分檔可選）6、測量誤差：0.2mv7、 測量量程：最大可達正負15V&支持電壓、電流信號直接輸入，無需配備轉(zhuǎn)換器9、操作環(huán)境：win dows98/2000/xp10、應用軟件：CSY-V9.0數(shù)據(jù)采集與處理軟件（二）、虛擬儀器軟件：V9.0版本軟件是和 V9.0采集卡配套使用，以 RS-232/USB進行通訊，采用 RS-232/USB標準協(xié)議, 是一個高效、實時的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)除了與本公司的 CSY系列傳感器實驗儀配合使

18、用 外也可單獨對外部信號進行采集 （信號頻率f < 1kHz）。（三）、系統(tǒng)需求：1、操作系統(tǒng)： Win dows 98 /2000/XP 簡體中文版2、 In tel Pe ntium川 500MHz 或 AMD Athl on700MHz 以上3、128M以上內(nèi)存4、只少400M以上硬盤空間供軟件安裝和備份5、有 RS-232/USB 接口6、4倍速以上的CD-ROM（四）、該軟件主要功能有以下幾點：1、軟件按照公司實驗指導書編寫，大部分實驗能用此數(shù)據(jù)采集軟件進行實驗操作。2、軟件采集設置可分單步采樣、定時采樣、雙向采樣、與動態(tài)采樣。在單步采樣時可以以最小二乘法與端點法分析其最大非線

19、性誤差或最大遲滯誤差，在動態(tài)實驗時可以分析其輸入波形的頻率、振幅或轉(zhuǎn)速。3、支持打印功能，能把實驗結(jié)果在實驗結(jié)束后即可打印出來。4、采集卡硬件具有程控放大功能，在測量小電壓時能有很高精度。5、 在數(shù)據(jù)采集時通訊速率在V8.0數(shù)據(jù)采集卡的基礎上有很大提高6、數(shù)據(jù)采集軟件支持 RS232/USB通訊。7、支持差動輸入功能。&支持雙通道數(shù)據(jù)采樣。9、具有虛擬低頻示波器功能，并能對波形進行簡單頻譜、失真度分析。*備注：1、 數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件不是CSY-10B系列傳感器實驗儀的配置項，是選配項，不是實驗過 程中所必需的。2、 數(shù)據(jù)采集卡選配內(nèi)置式為單通道并且RS232通訊。如要雙通道、USB

20、通訊則選配外置式。軟件使用方法參閱軟件所附的手冊或光盤。實驗一應變片單臂特性實驗一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。二、基本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成。一種利用電阻材料的應變效應將工程結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部變形轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉(zhuǎn)化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化信號輸出?？捎糜谀苻D(zhuǎn)化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、 計量、建筑測量等行業(yè)應用十分廣泛。1應變片的電阻應變效

21、應所謂電阻應變效應是指具有規(guī)則外形的金屬導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生應變而其電阻值也會產(chǎn)生相應地改變，這一物理現(xiàn)象稱為 “電阻應變效應”。以圓柱形導體為例：設其長為：L、半徑為r、材料的電阻率為p時，根據(jù)電阻的定義式得(1 1)當導體因某種原因產(chǎn)生應變時，其長度L、截面積A和電阻率p的變化為dL、dA、dp相應的電阻變化為 dR。對式（1 1）全微分得電阻變化率dR/R為：(1 2)式中：dL/L為導體的軸向應變量£ l；dr/r為導體的橫向應變量 e r由材料力學得:£=-卩 £(1 3)式中：為材料的泊松比，大多數(shù)金屬材料的泊松比為0.30.5左右；負號表

22、示兩者的變化方向相反。將式（1 3）代入式（1 2）得:(1 4)式（1 4）說明電阻應變效應主要取決于它的幾何應變（幾何效應）和本身特有的導電性能（壓阻效應）。2、應變靈敏度它是指電阻應變片在單位應變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量。（1）、金屬導體的應變靈敏度 K:主要取決于其幾何效應；可取 （1 5）其靈敏度系數(shù)為：K=塵=1 + 2“）金屬導體在受到應變作用時將產(chǎn)生電阻的變化，拉伸時電阻增大，壓縮時電阻減小，且與其軸向應變成正比。金屬導體的電阻應變靈敏度一般在2左右。（2）、半導體的應變靈敏度：主要取決于其壓阻效應；dR/R衣d p ?半導體材料之所以具有較大的電阻變化率，是因為它有遠比

23、金屬導體顯著得多的壓阻效應。在半導體受力變形時會暫時改變晶體結(jié)構(gòu)的對稱性，因而改變了半導體的導電機理， 使得它的電阻率發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應。且不同材質(zhì)的半導體材料在不同受力條件下產(chǎn)生的壓阻效應不同，可以是正（使電阻增大）的或負（使電阻減?。┑膲鹤栊?。也就是說， 同樣是拉伸變形，不同材質(zhì)的半導體將得到完全相反的電阻變化效果。半導體材料的電阻應變效應主要體現(xiàn)為壓阻效應，可正可負，與材料性質(zhì)和應變方向有關(guān)，其靈敏度系數(shù)較大，一般在100到200左右。3、貼片式應變片應用在貼片式工藝的傳感器上普遍應用金屬箔式應變片，貼片式半導體應變片（溫漂、穩(wěn)定性、線性度不好而且易損壞）很少

24、應用。一般半導體應變采用 N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍擴散出半導體電阻應變薄膜（擴散出敏感柵），制成擴散型壓阻式（壓阻效應）傳感器。*本實驗以金屬箔式應變片為研究對象。4、箔式應變片的基本結(jié)構(gòu)應變片是在用苯酚、環(huán)氧樹脂等絕緣材料的基板上，粘貼直徑為0.025mm左右的金屬絲或金屬箔制成，如圖1 1所示。;i出歿電國商e城崛梅)(b)箔式應變片t(C)全橋(a)單臂(b)半橋圖12應變片測量電路圖11應變片結(jié)構(gòu)圖(a)絲式應變片金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，與絲式應變片工作原理相同。電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效

25、應，描述電阻應變效應的關(guān)系式為： R/R= K £ 式中： R/R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù)，& = L/L為電阻絲長度相對變化。5、測量電路為了將電阻應變式傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，在應用中一般采用電橋電路作為其測量電路。電橋電路具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍寬、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點。能較好地滿足各種應變測量要求，因此在應變測量中得到了廣泛的應用。 電橋電路按其工作方式分有單臂、雙臂和全橋三種，單臂工作輸出信號最小、線性、穩(wěn)定性 較差；雙臂輸出是單臂的兩倍，性能比單臂有所改善；全橋工作時的輸出是單臂時的四倍， 性能最好。因此，為了得到較大

26、的輸出電壓信號一般都采用雙臂或全橋工作?；倦娐啡鐖D1 2 (a)、( b)、( c)所示。(a)、單臂Uo= 一=(R4+ R4) / (R4 + R4+ R3) R1/(R1 + R2)E=(R1+R2)(R4 + R4)R1( R3 + R4 + R4)/( R3+R4+ R4)(R1 +R2) E設 Ri = R2= R3= R4，且 R4 / R4= A R / R VV 1, R/ R= K &。則 Uo (1 /4)( R4/ R4)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 / 4) K £ E(b)、雙臂(半橋)同理：Uo (1 / 2)( R/ R)E=

27、 (1 / 2)K £ E(C)、全橋同理:Uo ( R/R)E= K £ E6、箔式應變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖1 3應變片單臂電橋?qū)嶒炘韴D圖中R1、R2、R3為350 Q固定電阻，R4為應變片； W1和r組成電橋調(diào)平衡網(wǎng)絡，供橋電源直流土 4V。橋路輸出電壓 Ug (1 /4)( R4/ F4)E = (1 / 4)( R/ R)E= (1 /4) K £ E 。三、需用器件與單元：機頭中的應變梁的應變片、測微頭；顯示面板中的F/V表(或電壓表)、± 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應變片、調(diào)理電路單元中的電橋

28、、差動放大器；4弓位數(shù)顯萬用表(自備)。四、需用器件與單元介紹：1、圖1 4調(diào)理電路面板中的電橋單元。圖中：菱形虛框為無實體的電橋模型(為實驗者組橋參考而設，無其它實際意義)。R1=R2=R3=350Q是固定電阻，為組成單臂應變和半橋應變 而配備的其它橋臂電阻。W電位器、r電阻為電橋直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡，W電位器、C電容為電橋交流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡。圖1 4電橋面板圖2、圖1 5為差動放大器原理圖與調(diào)理電路中的差動放大器單元面板圖。圖中：左圖是原理圖， A是差動輸入的放大器；右圖為面板圖。* 3、附：測微頭的組成與使用:測微頭組成和讀數(shù)如下圖 1 6所示。測微頭組成：測微頭由不可動部分中的安裝套（應變梁

29、的測微頭無安裝套）、軸套和可動部分中的測桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。測微頭讀數(shù)與使用：測微頭的安裝套便于在支架座上固定安裝，軸套上的主尺有兩排刻度線，標有數(shù)字的是整毫米刻線（1 mm/格），另一排是半毫米刻線（0.5 mm/格）；微分筒 前部圓周表面上刻有 50等分的刻線（0.01 mm/格）。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時，測桿就沿軸線方向進退。微分筒每轉(zhuǎn)過1格，測桿沿軸方向移動微小位移0.01毫米，這也叫測微頭的分度值。測微頭的讀數(shù)方法是先讀軸套主尺上露出的刻度數(shù)值，注意半毫米刻線；再讀與主尺橫線對準微分筒上的數(shù)值、可以估讀1/ 10分度，如圖1 6甲讀數(shù)為3.678 mm,不是3.178 mm;遇

30、到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時，應看微分筒的示值是否過零，如圖1 6乙已過零則讀2.514 mm;如圖1 6丙未過零，則不應讀為2 mm,讀數(shù)應為1.980 mm。測微頭使用：測微頭在實驗中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。一般測微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動微分筒到10mm處（為了保留測桿軸向前、后位移的余量），再將測微頭軸套上的主尺橫線面向自己安裝到專用支架座上，移動測微頭的安裝套（測微頭整體移動）使測桿與被測體連接并使被測體處于合適位置（視具體實驗而定）時再擰緊支架座上的緊固螺釘。當轉(zhuǎn)動測微頭的微分筒時，被測體就會隨測桿而位移。五、實驗步驟:1、在應變梁自然狀態(tài)（不受力）的情況下，用4

31、$位數(shù)顯萬用表2k Q電阻檔測量所有應變片阻值；在應變梁受力狀態(tài)（用手壓、提梁的自由端）的情況下，測應變片阻值，觀察 一下應變片阻值變化情況（標有上下箭頭的4片應變片縱向受力阻值有變化；標有左右箭頭 的2片應變片 橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片 ）。如下圖1 7所示。機無W 圖17觀察應變片阻值變化情況示意圖2、差動放大器調(diào)零點：按下圖 1 8示意接線。將F/ V表（或電壓表）的量程切換開關(guān) 切換到2V檔，合上主、畐U電源開關(guān)，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)到底 后再逆向回轉(zhuǎn)一點點（放大器的增益為最大，回轉(zhuǎn)一點點的目的：電位器觸點在根部估計會 接觸不良），調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電

32、位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調(diào) 節(jié)完成，關(guān)閉主電源。差動放大器F/V農(nóng)（電壓衣）圖18差放調(diào)零接線圖3、應變片單臂電橋特性實驗：將土 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源切換到4V檔，將主板上傳感器輸出單元中的箔式應變片（標有上下箭頭的4片應變片中任意一片為工作片 ）與電橋單元中 R1、R2、R3組 成電橋電路，電橋的一對角接土4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端，將W電位器、r電阻直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡接入電橋中（W1電位器二固定端接電橋的土4V電源端、W的活動端r電阻接電橋的輸出端），如圖1 9示意接線（粗細曲線為連接線）。ILI應亜片緊回財+47電特平衛(wèi)團話

33、.E CZIU蕓功放大銀 電壓表-VJA1亙莊稅圧電強圖19應變片單臂電橋特性實驗原理圖與接線示意圖檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)， 當機頭上應變梁自由端的測微頭離開自由端 （梁處 于自然狀態(tài)，圖1 7機頭所示）時調(diào)節(jié)電橋的直流調(diào)節(jié)平衡網(wǎng)絡 W1電位器，使電壓表顯示 為0或接近0。在測微頭吸合梁的自由端前調(diào)節(jié)測微頭的微分筒，使測微頭的讀數(shù)為10mm左右（測微頭微分筒的0刻度線與測微頭軸套的 10mm刻度線對準）；再松開測微頭支架軸套的緊固螺釘，調(diào)節(jié)測微頭支架高度使梁吸合后進一步調(diào)節(jié)支架高度，同時觀察電壓表顯示絕對值盡量為最小時固定測微頭支架高度（擰緊緊固螺釘，圖1 9機頭所示）。仔細微調(diào)測微頭的

34、微分筒使電壓表顯示值為0 （梁不受力處于自然狀態(tài)），這時的測微頭刻度線位置作為梁位移的相對0位位移點。首先確定某個方向位移，以后每調(diào)節(jié)測微頭的微分筒一周產(chǎn)生0.5mm位移，根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次增加0.5mm并讀取相應的電壓值填入表1中；然后反方向調(diào)節(jié)測微頭的微分筒使電壓表顯示 0V （這時測微頭微分筒的刻度線不在原來的0位位移點位置上，是由于測微頭存在機械回程差，以電壓表的0V為標準作為0位位移點并取固定的相對位移 X消除了機械回程差），再根據(jù)表1位移數(shù)據(jù)依次反方向增加 0.5m m并讀取相應的電壓值填入 表1中。*注：調(diào)節(jié)測微頭要仔細，微分筒每轉(zhuǎn)一周 X=0.5mm如調(diào)節(jié)過量再回調(diào)，則產(chǎn)生回

35、程差。表1應變片單臂電橋特性實驗數(shù)據(jù)：位移（mm）-8.0-1.0-0.50+0.5+1.0+8.0電壓（mV）根據(jù)表1數(shù)據(jù)畫出實驗曲線并計算靈敏度S= V/ X （ V輸出電壓變化量， X位移變化量）和非線性誤差 S （用最小二乘法），S = m/yFS X 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滿量程輸出平均值，此處為相對總位移量。實驗完畢，關(guān)閉電源。六、思考題：1、 R轉(zhuǎn)換成 V輸出用什么方法？2、根據(jù)圖4機頭中應變梁結(jié)構(gòu)，梁的自由端往下施力時上、下梁片中應變片的應變方向（是拉？還是壓？）。3、 還可以用什么方法消除測微頭的機械回程差？提示：實驗步驟

36、中不設 0位位移點， 直接從位移最大處單方向調(diào)節(jié)測微頭。實驗二應變片半橋特性實驗一、實驗目的：了解應變片半橋（雙臂）工作特點及性能。二、基本原理：應變片基本原理參閱實驗一。應變片半橋特性實驗原理如圖21所示。不同受力方向的兩片應變片（上、下二片梁的應變片應力方向不同）接入電橋作為鄰邊，輸出靈敏度提高，非線性得到改善。其橋路輸出電壓Uo- （1 /2）（ R/ R）E= （1 /2）K £ E 。差動戰(zhàn)大器電壓衣-1V E HVO圖2 1應變片半橋特性實驗原理圖三、 需用器件與單元：機頭中的應變梁的應變片、測微頭；顯示面板中的F/V表（或電壓 表）、± 2V土 10V步進可調(diào)

37、直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應變片、調(diào)理電路單元中的電橋、差動放大器。四、實驗步驟：除實驗接線按圖2 2接線即電橋單元中 R1、R2與相鄰的二片應變片組成電橋電路外。實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處理方法與實驗一完全相同。實驗完畢，關(guān)閉電源。I I譏做片臉變片應吏釜緊EKE4I直流籾H幀TjlT ;圖2 2應變片半橋?qū)嶒炘韴D與接線示意圖五、思考題:半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片（相鄰的二片應變片） 接入電橋時，應接在:（1）對邊？（ 2）鄰邊？為什么？實驗三應變片全橋特性實驗一、實驗目的：了解應變片全橋工作特點及性能。二、 基本原理：應變片基本原理參閱實驗一。應變片全橋特性

38、實驗原理如圖31所示。應變片全橋測量電路中， 將受力方向相同的兩應變片接入電橋?qū)叄喾吹膽兤尤腚姌蜞忂?。當應變片初始阻值：R1 = F2= R3 = F4,其變化值 R1 = R2 = R3= A R4時，其橋路輸出電壓Uo- ( R/R)E= K £ E。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性得到改善。三、 需用器件和單元：機頭中的應變梁的應變片、測微頭；顯示面板中的F/V表(或電壓 表)、± 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應變片、調(diào)理電路單元中的電橋、差動放大器。四、實驗步驟：除實驗接線按圖32示意接線，四片應變片組成電橋

39、電路外。實驗步驟和實驗數(shù)據(jù)處 理方法與實驗一完全相同。實驗完畢，關(guān)閉電源。-4V豪新IB莊電凍磯fferlI恕42二 FVfn-T圖3 2應變片全橋特性實驗原理圖與接線示意圖五、思考題：應變片組橋時應注意什么問題實驗四 應變片單臂、半橋、全橋特性比較一、實驗目的：比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，得出相應的結(jié)論。二、基本原理：如圖4 (a)、(b)、(c)為應變片單臂、半橋和全橋測量電路原理圖。它們輸出電壓分別為:a)單臂Uo= 一=(R4+ F4) / (R4 + F4+ R3) R1/(R1 + R2)E=( R1+ R2) (R4 + R4) R1 ( R3 + R4 + R

40、4)/ ( R3+ R4+ R4) (R1 + R2) E設 R1 = R2= R3= R4，且 R4 / R4= R / R VV 1, R/ R= K e。貝U Uo (1 /4)( R4/ R4)E = (1 /4)( R/ R)E= (1 / 4) K e E(b)、雙臂(半橋)同理:Uo (1 / 2)( R/ R)E= (1 / 2)K e E(C)、全橋同理:Uo ( R/R)E= K e Et(c)全橋(a)單臂(b)半橋圖4應變測量電路、需用器件與單元：機頭中的應變梁的應變片、測微頭；顯示面板中的 F/V表(或電壓 表)、± 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理

41、電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應變 片、調(diào)理電路單元中的電橋、差動放大器。四、實驗步驟：根據(jù)實驗一、二、三所得的結(jié)果進行單臂、半橋和全橋輸出的靈敏度和非線性度分析比較(注意：實驗一、二、三中的放大器增益必須相同)。實驗完畢，關(guān)閉電源。實驗五 應變片的溫度影響實驗一、實驗目的：了解溫度對應變片測試系統(tǒng)的影響。二、基本原理：電阻應變片的溫度影響，主要來自兩個方面。敏感柵絲的溫度系數(shù)，應變柵的線膨脹系數(shù)與彈性體（或被測試件）的線膨脹系數(shù)不一致會產(chǎn)生附加應變。因此當溫度變化時，在被測體受力狀態(tài)不變時，輸出會有變化。三、 需用器件與單元： 機頭中的應變梁的應變片、加熱器、；顯示面板中的F/V表（或電

42、壓表）、± 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、-15V電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應變片、加熱器；調(diào)理電路單元中的電橋、差動放大器。四、實驗步驟：1、按實驗一應變片單臂特性實驗步驟調(diào)試、實驗。調(diào)節(jié)測微頭使梁的自由端產(chǎn)生較大位移（如實驗一表 1中絕對值最大位移處）時讀取記錄電壓表的顯示值為Uol,并且繼續(xù)保留此狀態(tài)不變。2、 將顯示面板中的-15V電源與調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中的加熱器相連，使加 熱器對應變片施熱，如下圖5所示。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)Uot , 則Uot-Uo1即為溫度變化的影響。計算這一溫度變化產(chǎn)生的相對誤差：Uot -U

43、oio =Uoi100%實驗完畢，關(guān)閉電源。圖5應變片溫度影響實驗*實驗六應變片溫度補償實驗一、實驗目的：了解溫度對應變片測試系統(tǒng)的影響及補償方法。二、基本原理：實驗五已知溫度的變化對應變片是有影響的。當二片完全相同的應變片處于同一溫度場時，溫度的影響是相同的，將實驗五中的R3換成溫度補償應變片并與固定阻R1、R2組成電橋測量電路，從理論上來說就能消除溫度的影響。三、 需用器件與單元：機頭中的應變梁的應變片、加熱器；顯示面板中的F/V表（或電壓 表）、± 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、-15V電源；調(diào)理電路面板中傳感器輸出單元中 的箔式應變片、加熱器；調(diào)理電路單元中的電橋、差動

44、放大器。四、實驗步驟：提示：溫度補償實驗接線如下圖 6所示。按實驗五步驟、方法實驗（與實驗五的唯一區(qū)別：用帶橫向箭頭的補償應變片替換橋路中的固定電阻R3）,溫度補償實驗接線如下圖 6所示。比較實驗五、實驗六二者結(jié)果。實驗完畢關(guān)閉電源。宜制5伍起諒應沙I面板壓I 電M衰圖6應變片溫度補償實驗接線圖實驗七應變直流全橋的應用一電子秤實驗、實驗目的：了解應變直流全橋的應用及電路的標定。、基本原理：常用的稱重傳感器就是應用了箔式應變片及其全橋測量電路。數(shù)字電子秤實驗原理如圖7 1。本實驗只做放大器輸出Vo實驗，通過對電路的標定使電路輸出的電壓值為重量對應值，電壓量綱（ V）改為重量量綱（g）即成為一臺原

45、始電子秤。C_J圖7 1數(shù)字電子稱原理框圖三、 需用器件與單元： 機頭中的應變梁的應變片；顯示面板中的F/V表（或電壓表）、± 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源；調(diào)理電路面板傳感器輸出單元中的箔式應變片；調(diào)理 電路單元中的電橋、差動放大器；砝碼（20g/只）。四、實驗步驟：1、差動放大器調(diào)零點：按圖7 2示意接線。將F/V表（或電壓表）的量程切換開關(guān)切換到2V檔，合上主、畐U電源開關(guān)，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉(zhuǎn)到底 后再逆向回轉(zhuǎn)一點點（放大器的增益為最大，回轉(zhuǎn)一點點的目的：電位器觸點在根部估計會 接觸不良），調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大

46、器的零點調(diào) 節(jié)完成，關(guān)閉主電源。2、將土 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源切換到4V檔，按圖7 3接線，檢查接線無誤后合上主電源開關(guān)。在梁的自由端無砝碼時，調(diào)節(jié)電橋中的W1電位器，使數(shù)顯表顯示為0.000V。將10只砝碼全部置于梁的自由端上（盡量放在中心點），調(diào)節(jié)差動放大器的增益電位器，使數(shù)顯表顯示為0.200V（2V檔測量）或0.200V。頁而初土電跑電圧敢i面板電橋意程切抉開矢圖73電子秤實驗接線示意圖3、 拿去梁的自由端上所有砝碼，如數(shù)顯電壓表不顯示 0.000V則調(diào)節(jié)差動放大器的調(diào)零 電位器，使數(shù)顯表顯示為0.000V。再將10只砝碼全部置于振動臺上（盡量放在中心點），調(diào)節(jié)差動放大器

47、的增益電位器，使數(shù)顯表顯示為0.200V（2V檔測量）或0.200V。4、 重復3步驟的標定過程，一直到誤差較小為止，把電壓量綱V改為重量綱g,就可 以稱重，成為一臺原始的電子秤。5、 把砝碼依次放在梁的自由端上，并依次記錄重量和電壓數(shù)據(jù)填入下表5。6、根據(jù)數(shù)據(jù)畫出實驗曲線，計算誤差與線性度。表7電子稱實驗數(shù)據(jù)重量（g）電壓（mV）7、在梁的自由端上放上筆、鑰匙之類的小東西稱一下重量。實驗完畢，關(guān)閉電源。實驗八移相器、相敏檢波器實驗、實驗目的：了解移相器、相敏檢波器的工作原理。、基本原理：1、移相器工作原理：圖8 1為移相器電路原理圖與調(diào)理電路中的移相器單元面板圖。圖中，IC1、Ri、R2、R

48、3、Ci構(gòu)成一階移相器(超前)，在R2=R1的條件下，其幅頻特性和相頻特性分別表示為：KFi(j 3 )=Vi/V 仁-(1-j 3 F3Ci)/(1+j 3 F3C1)KF1( 3 )=1-1 亠 F1( 3 )=- JI -2tg 3 R3CI其中：3 =2 J f,f為輸入信號頻率。同理由IC2,R4,R5,Rw,C3構(gòu)成另一個一階移相器(滯后)， 在Rs=F4條件下的特性為：KF2(j 3 )=Vo/V 仁-(1-j3 RwC"(1+j3 RwC)KF2( 3 )=1-1 F2( 3 )=- J -2tg 3 RwC由此可見，根據(jù)幅頻特性公式，移相前后的信號幅值相等。根據(jù)相頻

49、特性公式，相移角度的大小和信號頻率f及電路中阻容元件的數(shù)值有關(guān)。 顯然，當移相電位器 Rw=O,上式中F2=o, 因此F1決定了圖7 1所示的二階移相器的初始移相角：即 f=Q F1=- J -2tg 2 J fR3C1若調(diào)整移相電位器 Rw則相應的移相范圍為：f=Q F1-F2=-2tg -12 j fR3C1+2tg-12 j f ARw(3已知F3=10KQ ,8=6800p, Rw=10kQ ,C3=0.022卩F,如果輸入信號頻率 f 一旦確定，即可計算出圖81所示二階移相器的初始移相角和移相范圍。2、相敏檢波器工作原理:AC圖8 2為相敏檢波器(開關(guān)式)原理圖與調(diào)理電路中的相敏檢波

50、器面板圖。圖中，為交流參考電壓輸入端，DC為直流參考電壓輸入端，Vi端為檢波信號輸入端，Vo端為檢波輸出端。圖8 2相敏檢波器原理圖與面板圖原理圖中各元器件的作用：C1交流耦合電容并隔離直流；A1反相過零比較器，將參考電壓正弦波轉(zhuǎn)換成矩形波(開關(guān)波+14V-14V ) ; D1二極管箝位得到合適的開關(guān)波形V7<0V (0-14V ),為電子開關(guān) Q1提供合適的工作點；Q1是結(jié)型場效應管，工作在開或關(guān) 的狀態(tài)；A2工作在反相器或跟隨器狀態(tài)；R6限流電阻起保護集成塊作用。關(guān)鍵點：Q1是由參考電壓 V7矩形波控制的開關(guān)電路。當V7= 0V時，Q1導通，使 A2的同相輸入5端接地成為倒相器，即

51、V3= -V1 (Vo= -Vi )；當V7v 0V時，Q1截止(相當于 A2的5端接地斷開)，A2成為跟隨器，即 V3= V1 (Vo= Vi)。相敏檢波器具有鑒相特性，輸 出波形V3的變化由檢波信號 V1 (Vi)與參考電壓波形 V2 (AC)之間的相位決定。下圖8 3為相敏檢波器的工作時序圖。VIKVIy7yvs%r rI V/ c1¥TVTi i1 1*3nIZVAI 、圖83相敏檢波器工作時序圖三、需用器件與單元： 顯示面板中的土 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器;調(diào)理電路面板中的移相器、相敏檢波器單元；雙蹤示波器（自備）。四、實驗步驟：（一） 移相器實驗1、

52、調(diào)節(jié)顯示面板音頻振蕩器的幅度為最小（幅度旋鈕逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底），按圖8 4示意接線，檢查接線無誤后，合上主、副電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為f=1KHz幅度適中（2VW Vp-p < 8V）。fC頻!掘筋器按/J<波搭CHS通道圖84移相器實驗接線圖2、 正確選擇雙線（雙蹤）示波器的“觸發(fā)”方式及其它（TIME/DIV :在0.5mSO.lmS 范圍內(nèi)選擇；VOLTS/DIV: 1V5V范圍內(nèi)選擇）設置。3、 調(diào)節(jié)移相器的移相電位器（逆時針到底OKQ順時針到底10KQ變化范圍），用示波器可測定移相器的初始移相角（F = ©F 1）和移相范圍F。4、 改變輸入信號Lv頻率

53、，調(diào)節(jié)移相電位器觀察相應的移相變化。測試完畢關(guān)閉主電源。（二）相敏檢波器實驗1、將顯示面板中的土 2V土 10V步進可調(diào)直流穩(wěn)壓電源切換到2V檔，調(diào)節(jié)顯示面板音頻振蕩器的幅度為最?。ǚ刃o逆時針輕輕轉(zhuǎn)到底），再按圖8 5示意接線。檢查接線無誤后合上主電源，調(diào)節(jié)音頻振蕩器頻率f=5KHz左右，幅度 Vp-p=5V;結(jié)合相敏檢波器的原理圖和工作原理，分析觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系。相敏檢波器2 摟示波器CHJS道圖85相敏檢波器跟隨、倒相實驗接線示意圖2、 將相敏檢波器的 DC參考電壓改接到-2V （Vo-），觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形 關(guān)系。關(guān)閉主電源。3、 按圖8 6示意圖接線，合上主電源，分別調(diào)節(jié)移相電位器和音頻信號幅度，結(jié)合相 敏檢波器的原理圖和工作原理，分析觀察相敏檢波器的輸入、輸出波形關(guān)系。移