《傳感器技術(shù)》教學(xué)教案

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1、 《傳 感 器 技 術(shù)》 實 驗 指 導(dǎo) 書 （水利與建筑工程學(xué)院電氣工程專業(yè)） 陳春國 編寫 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 二0一四年十月 目 錄 實驗一 箔式應(yīng)變片性能單臂電橋………………………………1 實驗二 箔式應(yīng)變片三種橋路性能比較…………………………3 實驗三 半導(dǎo)體應(yīng)變計直流半橋測試系統(tǒng)………………………5 實驗四 箔式應(yīng)變片組成的交流全橋……………………………6 實驗五 差動變壓器性能…………………

2、………………………8 實驗一 箔式應(yīng)變片性能——單臂電橋 一. 實驗?zāi)康模? 1. 觀察了解箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及粘貼方式。 2. 測試應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出。 3. 比較各橋路間的輸出關(guān)系。 二. 實驗原理： 通過本實驗進一步了解箔式應(yīng)變片及單臂電橋的原理和工作情況。應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件，當用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體的表面。當測件受力產(chǎn)生形變，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨同發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路就可以轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號輸出，并顯示測量數(shù)據(jù)。 電橋電路是最常用的非電量電

3、測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對角臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，這就是未受力時的零點。在四個橋臂上的電阻分別為、、、 中，電阻的相對變化率分別為、、、，當使用一個應(yīng)變片時，；當兩個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作時，則有；若用四個應(yīng)變片組成二個差動對工作，且。通過上述可以看出單臂電路，半橋電路，全橋電路的靈敏度依次增大。 三. 實驗設(shè)備： 直流穩(wěn)壓電源（±4V檔）、電橋電路、差動放大器、箔式應(yīng)變片、測微頭（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表及連接線等。 實驗步驟： 1. 調(diào)零：開啟儀器電源，差動放大器增益置于100倍（順時針方向旋到底），“+、-”輸入

4、端用實驗線對地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，然后用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零值即可。調(diào)零后電位器位置不能變化，不許再動該電位器，然后拔掉實驗線。 如需要使用毫伏表，則應(yīng)將毫伏表輸入端對地短路，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針居“零”位。拔掉短路線，指針有偏轉(zhuǎn)是有源指針式電壓表輸入端懸空時的正?，F(xiàn)象。不要在進行調(diào)零。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。 2. 按圖1電路將實驗部件用實驗線連接成測試橋路。橋路中、、和為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，為應(yīng)變片（可任選上、下梁中的一片作為工作片）。直流激勵電源電壓為±4V，測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，適當調(diào)節(jié)使應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài)。 3. 確認

5、接線無誤后再開啟儀器電源，并應(yīng)使儀器預(yù)熱3～5分鐘后，才能進行實驗。接好線后，請實驗指導(dǎo)老師對接線進行檢查，以免損壞儀器設(shè)備。調(diào)整電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。 4. 旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動懸臂梁分別做向上運動；向下運動，以水平狀態(tài)下輸出為零。向上或向 5. 下運動各5mm，測微頭每移動0.5mm記錄一個差動放大器輸出電壓值，并列入表中。（或在雙孔懸臂梁稱重平臺上依次放上砝碼，進行上述實驗）。 位移 mm 電壓 V 根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)計算靈敏讀S ，，并在坐標圖上作出V—X關(guān)系曲線。

6、 五、 注意事項： 6. 進行實驗前應(yīng)檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應(yīng)盡量使用較短的插接線，以免引入干擾。 7. 接插線插入插孔時應(yīng)輕輕地做一小角度旋轉(zhuǎn)，以保證接觸良好，拔出時也輕輕地旋轉(zhuǎn)一下拔出，切忌用力拉扯接插線的尾部，以免造成導(dǎo)線斷裂。 8. 不允許將穩(wěn)壓電源對地短路，以免損壞電源。 實驗二 箔式應(yīng)變片三種橋路性能比較 一. 實驗?zāi)康模? 通過本實驗進一步了解三種橋式測量電路的性能，各種橋路的工作原理及其電壓靈敏度的大小。 二. 實驗原理： 已知單臂橋路、半橋電路、全橋電路如圖所示，單臂橋路的，半橋電路的 ，全橋電路的。根據(jù)

7、戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓近似等于，電橋的靈敏度為，于是對應(yīng)于單臂橋路、半橋、全橋的電壓靈敏度分別為、、E 。由此可知，當E和電阻相對變化率一定時，電橋電壓靈敏度與各橋臂阻值大小無關(guān)。 三.. 實驗設(shè)備： 直流穩(wěn)壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應(yīng)變片、測微頭（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、電壓表。 四. 實驗步驟： 1. 在完成實驗一的基礎(chǔ)上，不變動差動放大器的增益和調(diào)零電位器，依次按圖1、圖2、圖3的接線，將電橋固定電阻換成箔式應(yīng)變

8、片，組成半橋和全橋測試系統(tǒng)。 2. 重復(fù)實驗一的3～4步驟，測出半橋和全橋的輸出電壓值與位移值記入表中，計算靈敏度。 3. 在同一坐標上繪出三種橋路的V—X曲線，比較三種橋路的電壓靈敏度，并做出定性的結(jié)論， 五. 注意事項： 1. 應(yīng)變片接入電路時注意其受力方向，一定要接成差動形式。 2. 直流激勵電源電壓不能過大，以免造成應(yīng)變片自熱損壞。 3. 由于進行位移測量時測微頭要從零－正向的最大值調(diào)，再從零－負向最大值調(diào)試，因此容易造成零點漂移，因此計算靈敏度時，可將正的靈敏度與負的的靈敏度分開計算，再求平均值。

9、 實驗三 半導(dǎo)體應(yīng)變計直流半橋測試系統(tǒng) 一、 實驗?zāi)康? 通過實際運用的半導(dǎo)體半橋電路，與半導(dǎo)體單臂電路進行性能比較。 二、 實驗所需部件 直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動放大器、半導(dǎo)體應(yīng)變計、測微頭、電壓表、溫度計（可用儀器中的P—N結(jié)溫度傳感器或熱電偶作測溫參考）、加熱器。 三、 實驗步驟 1、按圖（1）接線，電橋中和為半導(dǎo)體應(yīng)變計。開啟電源后預(yù)熱數(shù)分鐘。 2、按單臂電橋?qū)嶒灢襟E調(diào)整懸臂梁位置，調(diào)整系統(tǒng)輸出，用測微頭進行位移，記錄V、X數(shù)據(jù)，作出V—X曲線，求出靈敏度，測出溫度變化時的溫漂。 圖（1） -2V V R R WD R 差放

10、 +2V 四、 注意事項 此實驗中直流激勵電壓只能用2V，以免引起半導(dǎo)體自熱。 實驗四 箔式應(yīng)變片組成的交流全橋 一、 實驗?zāi)康? 本實驗說明交流激勵的四臂應(yīng)變電橋的原理及工作情況。 二、 實驗原理 Φ1 電壓表 LV 5KHZ Φ2 低通 V 差放 相敏 檢波器 WA WD R R R R 0o 5HKZ 移相 圖（1） 圖（1）是交流全橋的一般形式。當電橋平衡時，Z1Z4=Z2Z3，電橋輸出為零。若橋臂阻抗相對相對變化

11、為△Z1/Z1、△Z2/Z2、△Z3/Z3、△Z4/Z4，則電橋的輸出與橋臂阻抗的相對變化 交流電橋工作時增大相角差可以提高靈敏度，傳感器最好是純電阻性或純電抗性的。交流電橋只有在滿足輸出電壓的實部和需部均為零的條件下才會平衡。 三、 實驗所需部件 電橋、音頻振蕩器、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、測微儀、示波器。 四、 實驗步驟 1、調(diào)節(jié)測微頭使梁處于水平位置，調(diào)節(jié)電橋直流調(diào)平衡電位器WD，使系統(tǒng)輸出基本為零。仔細調(diào)節(jié)交流調(diào)平衡電位器WA，使系統(tǒng)輸出為零。 2、用示波器觀察各環(huán)節(jié)波形，測量讀數(shù)，列表填入V、X值，作出V—X曲線，求出靈敏度。 位移 mm

12、 電壓 mv 五、 注意事項 1、欲提高交流全橋的靈敏度，可用示波器觀察相敏檢波器輸出端波形，若相敏檢波器輸出端波形脈動成份較大，則系統(tǒng)雖然可以調(diào)零，但靈敏度較低，提高靈敏度的方法是當系統(tǒng)初步調(diào)零后，再調(diào)節(jié)電橋中的WD電位器，使相敏檢波器輸出波形盡量平直，然后用手將懸臂梁壓到最低，調(diào)節(jié)“移相”旋紐，使相敏輸出端波形為相連接的整流波形。再放手恢復(fù)梁的自然位置，調(diào)節(jié)“WD”，之系統(tǒng)輸出為零，這樣系統(tǒng)靈敏度會最高。 2、做交流全橋?qū)嶒灂r用指針式毫伏表可以比較直觀的看出應(yīng)變梁在正、反向受力時系統(tǒng)輸出電壓。實驗五 差

13、動變壓器性能 一、 實驗?zāi)康? 了解差動變壓器的基本結(jié)構(gòu)及原理，通過實驗驗證差動變壓器的基本特性。 二、 實驗原理 差動變壓器由銜鐵、初級線圈、次級線圈和線圈骨架等組成。初級線圈做為差動變壓器激勵用，相當于變壓器的原邊，次級線圈由兩個結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，相當于變壓器的副邊。差動變壓器是開磁路，工作是建立在互感基礎(chǔ)上的。其原理及輸出特性見圖（1）。 圖（1） Mb R1 LK L0 L0 Ma R2 R3 圖（2） LV 4KHZ · 示波器 第一通道 第二通道 · 三、 實驗所需部件 差動

14、變壓器、音頻振蕩器、測微儀、示波器。 四、 實驗步驟 1、按圖（2）接線，差動變壓器初級線圈必須從音頻振蕩器LV端功率輸出，雙線示波器第一通道靈敏度500mv/格，第二通道10 mv/格。 2、音頻振蕩器輸出頻率4KHZ，輸出值VP-P=2V。 3、用手提壓變壓器磁芯，觀察示波器第二通道波形是否能過零翻轉(zhuǎn)，如不能則改變兩個次級線圈的串接端。 4、旋動測微頭，帶動差動變壓器銜鐵在線圈中移動，從示波器中讀出次級輸出電壓VP-P值，讀數(shù)過程中應(yīng)注意初、次級波形的相位關(guān)系。 位移 mm 電壓 mv 5、仔細調(diào)節(jié)測微儀使次級線圈的輸出波形為最小，這就是零點殘余電壓?？梢钥闯鏊c輸入電壓的相位差約為л/2，是基頻分量。 6、根據(jù)表格所列結(jié)果，畫出V0P-P—X曲線，指出線形工作范圍。 五、 注意事項 示波器第二通道為懸浮工作狀態(tài)。