傳感與測試技術實驗指導書PAGEPAGE17《傳感與測試技術》實驗指導書劉曉霞編寫沈陽理工大學裝備工程學院裝備工程學院實驗中心目錄TOC\o"1-2"\h\z\u8280目錄 221969實驗一 金屬箔式應變片性能實驗 427387一、實驗目的 427948二、實驗原理 414910三、實驗儀器設備 419977四、實驗步驟 532723五、注意事項 518532六、思考題 69362七、考核方式 616218實驗二電橋性能實驗 711836一、實驗目的 731828二、實驗原理 730850三、實驗儀器設備 727783四、實驗步驟 717151五、注意事項 89071實驗三壓力測試系統的靜態標定實驗 99288一、實驗目的 94659二、實驗原理 98977三、實驗儀器設備 1029276四、實驗步驟 1030812實驗四壓電式加速度計特性實驗 1222792一、實驗目的 124327二、實驗原理 1230866三、實驗所需部件 1431976四、實驗步驟 1416979五、注意事項 1511643六、實驗結果處理 1525015七、考核方式 1511288附錄 16

實驗一 金屬箔式應變片性能實驗一、實驗目的1、觀察了解箔式應變片的結構及粘貼方式。2、測試應變梁變形的應變輸出。二、實驗原理本實驗說明箔式應變片及單臂直流電橋的原理和工作情況。應變片是最常用的測力傳感元件。當用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在測試體表面，當測件受力發生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻、、、中，電阻的相對變化率分別為、、、，當使用一個應變片時，；當二個應變片組成差動狀態工作，則有；用四個應變片組成二個差動對工作，且，。應變片將試件應變轉換成電阻相對變化后，測量電橋則將應變片的電阻變化按一定比例轉換成電壓或電流的變化，以便輸出至放大器放大。應變橋路具有靈敏度高，測量范圍廣，容易實現溫度補償等優點。對單臂電橋輸出電壓。當應變片阻值和應變量相同時，半橋電橋輸出電壓，全橋電橋輸出電壓（E=4V，K=130,：電阻絲長度相對變化）。電路的靈敏度依次增大。三、實驗儀器設備直流穩壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、（或雙孔懸臂梁、稱重砝碼）、金屬箔式應變片四片（其中二片，二片）、直流調平衡電位器、雙平行式懸臂梁、螺旋測微頭、數字電壓表。四、實驗步驟1.開啟儀器電源，接通直流工作電源開關預熱，差動放大器調零。（輸入端正負極短接并接地，輸出端接數字電壓表，數字電壓表置2V檔；差放增益100倍，旋鈕順時針輕旋至最大；用“調零”電位器調整差動放大器輸出電壓為零；調零后拆去短路線）。2.按圖1接測試橋路。應變橋為單臂工作狀態，將應變片接入橋路時注意受力方向，如半橋、全橋要接成差動式；檢查確認無誤時才能連上應變橋的直流工作電壓；更換應變片前先斷開應變橋直流工作電源。調整測微頭起始點位置（能向上、向下移動5mm為準，測微頭端面與磁鋼接觸良好），同時將平行式懸臂梁初調至水平。圖13.調節直流平衡電位器使系統輸出為零。旋動測微頭帶動懸臂梁分別作向上、向下位移運動（水平狀態輸出電壓為零），每移動0.5mm在下表中記錄差動放大器一個輸出電壓值（數字電壓表置2V檔）。根據V~x數據計算靈敏度S值（）（由于位移測量時容易造成零點偏移，在計算時可將正和負的靈敏度分開計算，再求平均值）；并在同一坐標圖中畫出V~x曲線。位移mm輸出電壓V五、注意事項1．注意帶連接線的接插導線的使用方法；接插導線盡可能以短為宜，以避免引入干擾。2．做單臂電橋實驗時，由于應變片的零漂和蠕變現象的客觀存在，橋路中的三個精密電阻與應變片的零漂值一致的可能性很小，如果沒有采用補償的話，單臂電橋測試電路是一定會出現輸出電壓漂移現象，這是真實地反映了應變片的特性，但是只要采用了半橋或全橋測試電路，系統就會非常穩定，這是因為同一批次的應變片的漂移和蠕變值相近，接成半橋和全橋形式后橋路的加減特性起到了非常好的補償作用，這也是應變片在實際應用中無一例外地采用全橋測試電路的原因。3.應變片接入電橋時注意其受力方向，一定要接成差動形式。4．直流激勵電壓不能過大，以免造成應變片自熱損壞。5．更換應變片前，先斷開應變電橋激勵電壓；完成換片接線后，再調整相對應的激勵電壓。6．穩壓電源不能對地短路。7．由于進行位移測量時測微頭要從零→正的最大值，又回復到零，再從零→負的最大值，因此容易造成零點偏移。在此，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。8．進行上述實驗時激勵電壓、差動放大器增益、測微頭起始點位置等外部環境必須一致，否則結果不具備可比性。六、思考題1.對數據進行整理，得出單臂電橋的靈敏度和非線性度。七、考核方式課堂表現10℅，實際操作30℅，實驗報告60℅

實驗二電橋性能實驗一、實驗目的比較三種橋路輸出情況。二、實驗原理說明實際使用的應變電橋的性能和原理。已知單臂、半橋和全橋電路的∑R分別為△R/R、2△R／R、4△R／R。根據戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓近似等于1/4·E·∑R，電橋靈敏度Ku＝V／△R／R，于是對應于單臂、半橋和全橋的電壓靈敏度度分別為1/4E、1/2E和E.。由此可知，當E和電阻相對變化一定時，電橋及電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關。三、實驗儀器設備直流穩壓電源（±4V檔）、電橋、差動放大器、箔式應變片、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上，不變動差動放大器增益和調零電位器，依次將圖（1）中電橋固定電阻R1、R2、R3換成箔式應變片，分別接成半橋和全橋測試系統。2．重復實驗一中3－4步驟，測出半橋和全橋輸出電壓并列表，計算靈敏度。3．在同一坐標上描出V－X曲線，比較三種橋路的靈敏度，并做出定性的結論。位移mm箔式單臂V箔式半橋V箔式全半V五、注意事項1．應變片接入電橋時注意其受力方向，一定要接成差動形式。2．直流激勵電壓不能過大，以免造成應變片自熱損壞。3．由于進行位移測量時測微頭要從零－→正的最大值，又回復到零，再－→負的最大值，因此容易造成零點偏移，因此計算靈敏度時可將正△X的靈敏度與負的△X的靈敏度分開計算。再求平均值，以后實驗中凡需過零的實驗均可采用此種方法。

實驗三壓力測試系統的靜態標定實驗一、實驗目的1.觀察壓電晶體傳感器的結構，獲得有關的感性認識；2.掌握YU-60活塞式壓力計的工作原理及使用方法；3.學會壓力計(壓電晶體傳感器)的校驗標定方法；4.了解本實驗中測量誤差的主要來源。二、實驗原理待標定的傳感器為壓電晶體傳感器。其作用力方向垂直于受壓面，因此受壓面本身(傳感器的外殼)便是一個電極，位于傳感器內部的另一個電極與傳感器尾部的內孔相連。將專用接頭旋于傳感器尾部，便可輸出壓電晶體兩電極間的電位差。一般在測壓系統的測量范圍內，均勻地選擇至少5個以上的測試點，其中應包括起始點和終點。對于所使用的靜壓發生裝置最為常用的是活塞式壓力發生器，通過轉動手輪時，加壓使工作活塞向前移動，并把壓力傳至各部分。當壓力達到一定值時，油壓與砝碼的重力平衡，傳感器所受到的壓力等于砝碼的重力與活塞的有效面積之比標定時，以一定的壓力間距逐次增壓，通過電荷放大器和示波器記錄壓力與測壓系統的輸出值。再逐漸減小壓力，進行記錄。并重復3-5次。三、實驗儀器設備CY-YD203壓電式傳感器一只；YU-60活塞式壓力計一臺；YE5850電荷放大器一臺；數字電壓表一臺。四、實驗步驟1.檢查活塞式壓力計的油路是否通暢并排盡內部空氣。其操作步驟為：(1)關閉針形閥⑵、⒂，打開油杯上的進油閥⑶，逆時針旋轉壓力泵手輪⑽，使壓力計內部充滿油液；(2)來回緩慢搖動壓力泵手輪⑽，趕出油杯附近管道內的空氣；(3)關閉進油閥⑶，打開針形閥⒂，來回緩慢搖動壓力泵手輪⑽，趕出該段管道內的空氣。排盡空氣后，應使節流孔上方有少量集油。2.安裝標準壓力表及壓電傳感器，應注意不要漏裝密封銅墊。3.旋接壓電傳感器輸出接頭。4.檢查確認電荷放大器及直流數字電壓表的各旋鈕開關在正確位置：“”開關置于下方；mV/Unit切換開關置于1(×1)檔；下限開關可置于“L”檔，上限開關置于0.3kHz檔；工作/復位開關置于復位檔；直流數字電壓表的面板量程按鈕置于█(釋放位)。5.記錄大氣壓力、環境溫度及濕度。應在測量開始前及結束后各紀錄一次，取其平均值作為實驗環境參數。6.對測試系統調零。7.調零結束后，應立即開始測試及記錄工作：搖動活塞式壓力計的壓力泵手輪⑽，記錄不同壓力所對應的電壓值。實驗中應注意：(1)對各選定壓力點，必須分別測量上行(升壓)及下行(降壓)兩個方向的輸出電壓值。在上行及下行中，當壓力接近選定壓力值時應平穩緩慢進行，不可使指針超過該點，萬一超過，則應將壓力泵手輪稍微退回一些，然后繼續沿原方向進行；(2)實驗至少應進行三個循環。兩個循環之間應將工作/復位開關置復位檔對系統重新調零，以消除零漂；(3)為了減小各儀表因漂移所產生的誤差，讀取每個測量點電壓表讀數的加壓時間應盡可能相同。電壓壓力p讀數(y)(MPa)(mV)(xi)項目0.5510152024.5均值12.5上行1下行1上行2下行2上行3下行3均yi=理論值y偏差Δy=yi-y

實驗四壓電式加速度計特性實驗一、實驗目的1、了解測試系統的組成，設計方法。2、掌握壓電式加速度計的測試原理。3、掌握電荷放大器的工作原理。3、掌握測試系統的實驗數據處理方法。二、實驗原理在工程實踐中，通常用壓電加速度計可以和電荷放大器配合檢測沖擊振動信號，與記錄分析儀器連接，可組成沖擊振動測量系統，主要測量振動的加速度，速度和位移量。1、壓電加速度計根據壓電效應原理，壓電式加速度計是可以把機械量（作用于其上的加速度或壓力）轉換成電荷量的高阻抗轉換器，壓電加速度傳感器的電荷等效電路如圖3所示。圖3從圖3中可以看出輸出反映的是電壓V0，而，如果用代表電壓靈敏度（單位）則有，其中：——壓電加速度計在加速度的作用下產生的電荷。——壓電加速度計的電荷靈敏度。——壓電加速度計的固有電容。——作用于壓電加速度計上的加速度。從圖3中可看出，對與壓電加速度計連接的電荷放大器有如下要求：①由于壓電加速度計可視為一高內阻信號源（一般達）這就要求電荷放大器有相應高的輸入阻抗。②要求電荷放大器輸出電壓不受壓電加速度計自身電容和長電纜等效電容的影響。2、電荷放大器原理電荷放大器是一種具有電容反饋的高增益運算放大器，其輸出電壓與壓電加速度計兩端所產生的電荷成正比。電荷放大器的原理圖如圖4所示。圖4反饋電容折合到輸入端的有效電容量是其中：是開環增益，為反饋電容。從圖4中可看出電荷變換級的輸出電壓為當時，，上式可簡化為由此可以看出，電荷放大器的輸出電壓僅由壓電加速度計兩端所產生的電荷和反饋電容決定，而與壓電加速度計的固有電容及電纜等效電容無關。本電荷放大器是帶有二次積分的雙積分電荷放大器，可以測量沖擊加速度、速度和位移量。三、實驗所需部件壓電加速度計，電荷放大器，動態測試分析儀。四、實驗步驟1、測試系統組成如圖5。壓電加速度計壓電加速度計電荷放大器動態測試分析儀圖52、按照圖5將測試系統接好線。3、壓電加速度計的靈敏度為，將電荷傳感器前面板上3位撥碼開關分別至于2-1-5位置，“”旋鈕指向“1”，低通濾波檔放在位置。“功能旋鈕”放置于“速度”，對應的單位為“”。4、打開動態測試分析儀的“DAP3.11”程序到采集界面，對壓電加速度計測得的信號進行采集。根據采集到輸出電壓值計算出瞬態速度值。a：采樣頻率取b：采樣長度c：采樣延時d：手動觸發e：采集次數1次五、注意事項1、電荷放大器輸入級是高阻抗電路，一般應在相對濕度不過80%條件下保存和使用。使用前應預熱15~30分鐘。2、信號過大時過荷燈亮，應逆時針方向減小系統增益。3、在信號采集前，利用動態測試分析儀對壓電加速度計進行靜態標定。六、實驗結果處理1、測量位移值：“功能選擇”旋鈕置于位移“”處，確認對應指示示值，“”旋鈕指示值為“”，從采集信號中任意選取一點，其輸出電壓為，則此時實際位移單位為：，每個單位為，所以實測位移值為2、測量速度值：“功能選擇”旋鈕置于速度“”處，確認對應單位示值，“”旋鈕指示值為“”，記錄采集到輸出電壓值，實際速度單位為，每個單位為，所以實測速度值為七、考核方式課堂表現10℅，實際操作30℅，實驗報告60℅附錄CSY系列(CSY.CSY10.CSY10A.CSY10B)傳感器系統實驗儀CSY系列(CSY.CSY10.CSY10A.CSY10B)傳感器系統實驗儀是用于檢測儀表類課程教學實驗的多功能教學儀器。其特點是集被測體、各種傳感器、信號激勵源、處理電路和顯示器于一體，可以組成一個完整的測試系統。通過實驗指導書所提供的數十種實驗舉例，能完成包含光、磁、電、溫度、位移、振動、轉速等內容的測試實驗。通過這些實驗，實驗者可對各種不同的傳感器及測量電路原理和組成有直觀的感性認識，并可在本儀器上舉一反三開發出新的實驗內容。實驗儀主要由實驗工作臺、處理電路、信號與顯示電路三部分組成。各款實驗儀的傳感器配置及布局是：(具體布局詳見各款儀器工作臺布局圖)一、位于儀器頂部的實驗工作臺部分左邊是一副平行式懸臂梁，梁上裝有應變式、熱敏式、P-N結溫度式、熱電式和壓電加速度五種傳感器。平行梁上梁的上表面和下梁的下表面對應地貼有八片應變片，受力工作片分別用符號和表示。其中六片為金屬箔式片（BHF-350）。橫向所貼的兩片為溫度補償片，用符號和表示。片上標有“BY”字樣的為半導體式應變片，靈敏系數130。（CSY10B型應變梁上只貼有半導體應變計。）實驗工作臺左邊是由裝于機內的另一副平行梁帶動的圓盤式工作臺。圓盤周圍一圈安裝有（依逆時針方向）電感式（差動變壓器）、電容式、磁電式、霍爾式、電渦流式、壓阻式等傳感器。電容式：由裝于圓盤上的一組動片和裝于支架上的兩組定片組成平行變面積式差動電容，線性范圍≥3mm。傳感器以及加熱器、激振線圈的引線端均位于儀器下部面板最上端一排。實驗工作臺上還裝有測速電機一組及控制、調速開關。（CSY10B裝有激振轉換開關）兩支測微頭分別裝在左、右兩邊的支架上。（CSY10B只有右邊一支）二、信號及儀表顯示部分：位于儀器上部面板低頻振蕩器：1~30Hz輸出連續可調，Vp-p值20V，最大輸出電流1.5A，Vi端插口可提供用作電流放大器。音頻振蕩器：0.4KHz~10KHz輸出連續可調，Vp-p值20V，180°、0°為反相輸出，Lv端最大功率輸出1.5A。直流穩壓電源：±12V，提供儀器電路工作電源和溫度實驗時的加熱電源，最大輸出1.5A。±2V~±10V，檔距2V，分五檔輸出，提供直流信號源，最大輸出電流1.5A。數字式電壓/頻率表：3位顯示，分2V、20V、2KHz、20KHz四檔，靈敏度≥50mV，頻率顯示5Hz~20KHz。指針式直流毫伏表：測量范圍500Mv、50mV、5mV三檔，精度2.5%。數字式溫度計：K分度熱電偶測溫，精度±1℃。（CSY10B型）三、處理電路：位于儀器下部面板電橋：用于組成應變電橋，面板上虛線所示電阻為虛設，僅為組橋提供插座。R1、R2、R3為350Ω標準電阻，WD為直流調節電位器，WA為交流調節電位器。差動放大器：增益可調直流放大器，可接成同相、反相、差動結構，增益1-100倍。電容變換器：由高頻振蕩、放大和雙T電橋組成。移相器：允許輸入電壓20Vp-p，移相范圍±40°（隨頻率不同有所變化）。電荷放大器：電容反饋式放大器，用于放大壓電加速度傳感器輸出的電荷信號。電壓放大器：增益5倍的高阻放大器。低通濾波器：由50Hz陷波器和RC濾波器組成，轉折頻率35Hz左右。使用儀器時打開電源開關，檢查交、直流信號源及顯示儀表是否正常。儀器下部面板左下角處的開關控制處理電路的工作電源，進行實驗時請勿關掉。指針式毫伏表工作前需輸入端對地短路調零，取掉短路線后指針有所偏轉是正常現象，不影響測試。請用戶注意，本儀器是實驗性儀器，各電路完成的實驗主要目的是對各傳感器測試電路做定性的驗證，而非工程應用型的傳感器定量測試。各電路和傳感器性能建議通過以下實驗檢查是否正常：1．應變片及差動放大器，參考附圖1進行單臂、半橋和全橋實驗，各應變片是否正常可用萬用表電阻檔在應變片兩端測量其阻值。各接線圖兩個節點間即為一實驗接插線，接插線可多根迭插