實(shí)驗(yàn)八位移傳感器

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1、實(shí)驗(yàn)八位置傳感器 1. 金屬箔式應(yīng)變片傳感器單臂、半橋、全橋比較 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 觀察了解金屬箔式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、粘貼方式。 2. 測量懸臂梁變形的應(yīng)變輸出。 3. 比較各種橋路的輸出關(guān)系。 二. 實(shí)驗(yàn)原理 應(yīng)用應(yīng)變片測試時，將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在測試件表面上。當(dāng)試件受力變形時，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，使其電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量電路最終將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。 三. 本實(shí)驗(yàn)裝置將應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上，旋轉(zhuǎn)測微頭使懸臂梁移動端上下位移時，懸臂梁產(chǎn)生變形，使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過電橋電路將其轉(zhuǎn)換為電壓的變化。電橋電路是最常用的把被測非電量通過電阻變化轉(zhuǎn)

2、換成為電壓或電流變化的測量電路，橋路對臂阻值乘積相等時電橋平衡，輸出為零。在橋臂四個電阻R]、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為AR]/Ri、AR2/R2、沢/R3、AR4/R4，一般情況下R1=R2=R3=R4=R（本實(shí)驗(yàn)裝置就是全等臂電橋，R=352Q）。當(dāng)使用一個應(yīng)變片時，LR=AR/R;使用二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，LR=2AR/R;使用四個應(yīng)變片組成二個差動對工作，LR=4AR/RO實(shí)驗(yàn)所需部件 直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動放大器、金屬箔式應(yīng)變片、測微頭、數(shù)字電壓表。 實(shí)驗(yàn)步驟1.差動放大器、電壓表調(diào)零 直流穩(wěn)壓電源置±2V檔，數(shù)字電壓表置2V檔，開啟儀器主、副電源開關(guān)。

3、差動放大器增益置最大（順時針方向旋到底），“＋”“－”輸入端用實(shí)驗(yàn)線對地短路，輸出端接數(shù)字電壓表輸入端乂，用差動放大器“調(diào)零”電位器調(diào)整，使數(shù)字電壓表顯示為0，然后關(guān)閉副電源開關(guān)，調(diào)零結(jié)束。（注意：調(diào)零后“調(diào)零”電位器位置不要變化,改變差動放大器增益后需要重新調(diào)零）2.單臂直流電橋測量 (1) 按圖1將實(shí)驗(yàn)部件用實(shí)驗(yàn)線連接成單臂電橋測試橋路。橋路中R1、r2、r3、和w1為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，r4接入一個金屬箔式應(yīng)變片(可任選上、下梁中的一片應(yīng)變片)。 (2) 測微頭安裝于懸臂梁移動端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)測微頭使懸臂梁處于基本水平狀態(tài)(目測)，設(shè)此時為懸臂梁移動端初始位置，

4、位移x=0。 (3) 確認(rèn)接線無誤后開啟副電源開關(guān)，調(diào)整電橋調(diào)平電位器％,使輸出電壓為0。 (4)逆時針旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動懸臂梁移動端由初始位置向上移動，移動端的位移值由測微頭上的千分尺讀出，每移動0.5mm測量一個輸出電壓值，記入表1。 圖1單臂直流電橋?qū)嶒?yàn)線路圖 (5)向上行程完成后，順時針旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動懸臂梁移動端向下移動回到初始位置，若此時輸出電壓不能回到0,調(diào)整叫，使輸出電壓為0。 (6)再順時針旋轉(zhuǎn)測微頭，帶動懸臂梁移動端向下移動，每移動0.5mm測量一個輸出電壓值，記入表1。 表1金屬箔式應(yīng)變片單臂直流電橋測量數(shù)據(jù) 向上 0 0.5 1.0 1.5 2

5、.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 位移 0 - - - - -0.019 - -0.026 -0.030 -0.034 - r 0 0000 0￥07 0￥50 4 -2.5 囑1 -3.5 -4.0 -4.5 0> 位移 0 0.00 0.00 0.00 0.01 0.015 0.01 0.021 0.024 0.026 0.028 U357283.半橋差動直流電橋測量 圖2半橋差動直流電橋?qū)嶒?yàn)線路圖 完成單臂電橋?qū)嶒?yàn)后，不改變差動放大器增益和“調(diào)零”電位器位置，將懸臂梁移動端調(diào)

6、回初始位置，關(guān)閉副電源開關(guān)。按圖2將R3換為與R4反變應(yīng)變片，組成半橋差動電路。開啟副電源開關(guān)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2中（3）、（4）、（5）、（6），記入表2。 表2金屬箔式應(yīng)變片半橋差動直流電橋測量數(shù)據(jù) 向 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 上 0 - - -0.025 -0.033 -0.042 -0.050 -0.059 - - - 壓 0 000 0￥06 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 0407 0-W -50 下 0 0.008 0.017

7、 0.025 0.034 0.043 0.052 0.061 0.070 0.079 0.0 壓88 4.全橋差動直流電橋測量 完成半橋?qū)嶒?yàn)后，不改變差動放大器增益和“調(diào)零”電位器位置，將懸臂梁移動端調(diào)回初始位置，關(guān)閉副電源開關(guān)。按圖3再將R「R2換為應(yīng)變片，形成兩個差動對，組成全橋差動電路。開啟副電源開關(guān)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2中（3）、（4）、（5）、（6），記入表3。 圖3全橋差動直流電橋?qū)嶒?yàn)線路圖表3金屬箔式應(yīng)變片全橋差動直流電橋測量數(shù)據(jù) 向上位移x（mm） 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

8、 電壓U（V） 0 向下位移x（mm） 0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0 電壓U（V） 0 五.思考題 1. 在同一坐標(biāo)圖上畫出單臂、半橋、全橋的U－x曲線。 2. 分別計(jì)算三種橋路的靈敏度，并比較，做出定性的結(jié)論。 六.注意事項(xiàng) 1. 直流激勵電壓不能過大，以免造成應(yīng)變片自熱損壞。 2. 求靈敏度時可將正Ax的靈敏度與負(fù)Ax的靈敏度分開計(jì)算再求平均值。 3. 由于懸臂梁彈性恢復(fù)滯后，雖然測微頭回到起始

9、刻度，但差動放大器輸出電壓并不回零，此時可反方向旋轉(zhuǎn)測微頭，使輸出電壓過零后再回到初始位置，反復(fù)幾次，差放電壓即到零，然后進(jìn)行負(fù)方向?qū)嶒?yàn)。 4. 在其它實(shí)驗(yàn)中用到差動放大器時，都要提前按實(shí)驗(yàn)步驟1中的方法進(jìn)行調(diào)零。 2. 半導(dǎo)體擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器實(shí)驗(yàn) 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器的工作原理和工作情況。 二. 實(shí)驗(yàn)原理 擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器一般是在N型單晶硅的基片上擴(kuò)散出P型電阻條并接成電橋形式。在壓力作用下，基片產(chǎn)生應(yīng)力，根據(jù)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻條的電阻率會產(chǎn)生很大變化，從而引起電阻值的變化，我們把這一變化量引入測量電路，則其輸出電壓的變化反映了所受到的壓力變

10、化。本實(shí)驗(yàn)裝置采用的是差壓式壓阻傳感器，高壓腔連接高壓咀H,低壓腔連接低壓咀L。低壓咀L處于放空狀態(tài)，低壓腔內(nèi)壓力為空氣大氣壓。待測壓力由高壓咀H導(dǎo)入高壓腔，高于低壓腔內(nèi)壓力時輸出為正，壓差越大輸出越大。 三. 實(shí)驗(yàn)所需部件 直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、數(shù)字電壓表、擴(kuò)散硅壓阻式傳感器（差壓）、壓力表、加壓配件、萬用表。 四. 實(shí)驗(yàn)步驟 1. 直流穩(wěn)壓電源置±2V檔，數(shù)字電壓表置2V檔，差動放大器增益適中。 2. 按圖1接線，壓阻式傳感器的正負(fù)電源端VS+、VS-分別接入±2V,輸出端v°+、VO-接差動放大器。注意接線正確，否則易損壞元器件。 Vo- 差放 VS++QV 電壓表

11、 圖1壓阻式壓力傳感器實(shí)驗(yàn)線路圖 3. 按圖2接好供壓回路，橡膠管壓力輸出端插入實(shí)驗(yàn)臺右端塑料氣咀（高壓咀）。 4. 將氣壓皮囊上單向調(diào)節(jié)閥的鎖緊螺絲擰松，壓力表示值為0。 5. 開啟主、副電源，用萬用表（200mV檔）測量壓阻式傳感器的輸出端VO+、VO-之間電壓值（零點(diǎn)偏移電壓），記入表1。用儀器上的數(shù)字電壓表測量差動放大器的輸出電壓，此時一般不為0，調(diào)整差動放大器“調(diào)零”旋鈕，使電壓表指示為0（系統(tǒng)的零點(diǎn)調(diào)整）。 6. 擰緊氣壓皮囊上單向調(diào)節(jié)閥的鎖緊螺絲，輕按、多次加壓皮囊，注意不要用力太大（壓力表和傳感器都有量程限制，切不可超過0kPa），當(dāng)壓力表示值為4kPa時，將

12、壓阻式傳感器的輸出電壓和差動放大器的輸出電壓記入表1。 7. 然后進(jìn)一步輕按加壓皮囊加壓，每間隔4kPa測量一次，記入表1。 表1壓阻式壓力傳感器測量數(shù)據(jù) 壓力p（kPa） 0 4 8 12 16 20 24 28 32 壓阻式傳感器輸出電壓 差動放大器輸出電壓 Uo（mV） 0 五.思考題 1. 畫出U－P曲線。 2. 求出靈敏度。 3. 此壓阻式傳感器的零點(diǎn)偏移電壓值是多少？ 六.注意事項(xiàng)： 1. 壓力表和傳感器都有量程限制，切不可超過40kPa。 2. 如在實(shí)驗(yàn)中壓力不穩(wěn)定，

13、應(yīng)檢查加壓氣體回路是否有漏氣現(xiàn)象，氣壓皮囊上單向調(diào)節(jié)閥的鎖緊螺絲是否擰緊。 3. 如讀數(shù)誤差較大，應(yīng)檢查氣管是否有折壓現(xiàn)象，造成傳感器的供氣壓力不均勻。 4. 如覺得差動放大器增益不理想，可調(diào)整其“增益”旋鈕，每次調(diào)整增益后都應(yīng)重新調(diào)零。 3. 差動變壓器位移測量系統(tǒng) 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 了解差動變壓器位移測量系統(tǒng)的組成。 2. 用此測試系統(tǒng)進(jìn)行位移測量。 二. 實(shí)驗(yàn)原理 由實(shí)驗(yàn)三可以看出用差動變壓器進(jìn)行位移測量時，由于需加交流電壓，其輸出仍為交流電壓，銜鐵上、下移動同樣位移時，輸出電壓大小相等，但相位相差180°，輸出指示不易判斷出位移方向。 若采用相敏檢波器就可鑒別出位

14、移方向。相敏檢波電路要求參考電壓和差動變壓器次級輸出電壓同頻率，相位相同或相反，因此還需要在線路中接入移相電路。如果位移量很小，差動變壓器輸出端還要接入放大器。 通過相敏檢波輸出的信號，還須經(jīng)過低通濾波器，濾去調(diào)制時引入的高頻信號，只讓與x位移信號對應(yīng)的直流電壓信號通過。 三. 實(shí)驗(yàn)所需部件 差動變壓器、音頻振蕩器、電橋、差動放大器、相敏檢波器、移相器、低通濾波器、測微頭、數(shù)字示波器、電壓表。 四. 圖1差動變壓器測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)線路圖實(shí)驗(yàn)步驟 1. 差動放大器增益調(diào)至最小，調(diào)零后關(guān)閉主、副電源。在實(shí)驗(yàn)三基礎(chǔ)上按圖1接入電位器W]、w2、差動放大器、相敏檢波器、移相器、低通濾波器、數(shù)

15、字電壓表，開啟主、副電源。 2. 調(diào)相位：用示波器第一通道、第二通道分別觀察相敏檢波器的1、2端口波形，旋轉(zhuǎn)測微頭使銜鐵位置到最低，調(diào)節(jié)移相器電位器，使CH1、CH2所觀察到的波形正好同相或反相，系統(tǒng)輸出可做到正負(fù)對稱，移去示波器探頭，調(diào)相位結(jié)束。 3. 調(diào)節(jié)測微頭到實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)步驟5中x=0處，調(diào)節(jié)電位器W]、W2,使x=0時系統(tǒng)輸出為0（若無法調(diào)整輸出為零，可微調(diào)測微頭）。 4. 以x=0為起點(diǎn)，上、下移動測微頭，每移動0.5mm讀取相應(yīng)的U。值，并記入表1。 表]差動變壓器位移測量數(shù)據(jù) 向上x(mm) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

16、 4.0 4.5 5.0 U°(V) 0.0 向下x(mm) 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0 U（V） 0.0 五.思考題 ].畫出Uo－x曲線 2.求出系統(tǒng)靈敏度。 一. 電渦流式傳感器的位移測量及被測體材料的影響實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1. 了解電渦流式傳感器基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性。 2. 用電渦流式傳感器測量位移。 3. 驗(yàn)證電渦流的大小與被測體的材料性質(zhì)有關(guān)。 二. 實(shí)驗(yàn)原理 電渦流式傳感

17、器由平面線圈和金屬渦流片組成，當(dāng)線圈中通以高頻交變電流后，與其平行的金屬片上產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻抗乙而渦流的大小與金屬渦流片的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離x有關(guān)。 當(dāng)平面線圈、被測體（金屬渦流片）、激勵源已確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗Z只與距離x有關(guān)。將阻抗變化經(jīng)渦流變換器變換成電壓輸出，則輸出電壓是距離的單值函數(shù)。 若平面線圈、距離x、激勵源已確定，并保持環(huán)境溫度不變，阻抗Z只與被測體（渦流片）的性質(zhì)有關(guān)。 三. 實(shí)驗(yàn)所需部件 電渦流線圈、金屬渦流片（鐵、銅、鋁片各一片）、渦流變換器、數(shù)字示波器、數(shù)字電壓表、測微頭、小改錐。 四. 圖1電渦流式傳

18、感器靜態(tài)測量實(shí)驗(yàn)線路圖實(shí)驗(yàn)步驟 1. 數(shù)字電壓表置20V檔，安裝好電渦流線圈和鐵質(zhì)渦流片，注意兩者必須保持平行。 2. 按圖1接線，開啟儀器主、副電源開關(guān)。旋轉(zhuǎn)右側(cè)測微頭使電渦流線圈完全貼緊鐵質(zhì)渦流片，此時渦流變換器中的振蕩電路停振，渦流變換器輸出電壓為零。設(shè)此時位移x=0。 3. 緩慢旋轉(zhuǎn)測微頭使電渦流線圈離開鐵片，從電壓表開始有讀數(shù)起（設(shè)此點(diǎn)位移值為x0,記錄此時千分尺示值，位移小于x0時無輸出，稱為死區(qū)），每位移0.25mm讀取相應(yīng)的電壓輸出值U，并記入表1。 鐵表1被測體為鐵片時電渦流式傳感器位移測量數(shù)據(jù) x (mm) 0 x0= x0+0.25 x0+0.50

19、x0+0.75 x0+1.00 x0+1.25 x0+1.50 x0+1.75 x0+2.00 x0+2.25 U(V 鐵'‘ 0.00 0.00 0 0 0 0.35 0.68 0.96 1.23 1.49 1.76 x (mm) x0+2.50 x0+2.75 x0+3.00 x0+3.25 x0+3.50 x0+3.75 x0+4.00 x0+4.25 x0+4.50 x0+4.75 x0+5.00 U(V 2.01 2.25 2.50 2.75 2.96 將鐵質(zhì)渦流片分別換為銅、鋁

20、質(zhì)渦流片，重復(fù)步驟1?3,將U銅、U鋁值記入表2。（注意：對銅、鋁質(zhì)渦流片，x=0時，U不為0,無死區(qū)）表2被測體為銅、鋁片時電渦流式傳感器位移測量數(shù)據(jù) x(mm) 0.0 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0 2.25 2.5 U0) SO x(mm) 2.75 3.00 3.25 3.5 3.75 4.0 4.25 4.5 4.75 5.0 U0) SO

21、 五. 思考題 1. 在同一坐標(biāo)上畫出U－x、U－x、U－x曲線。 鐵銅鋁 2. 求出不同材料時系統(tǒng)的靈敏度和線性范圍。由此得出被測材料不同時靈敏度與線性范圍都不同，必須分別進(jìn)行標(biāo)定的結(jié)論。 六. 注意事項(xiàng) 被測體與渦流傳感器測試探頭平面盡量平行，并將探頭盡量對準(zhǔn)被測體中間以減少渦流損失。 4. 電容式傳感器的靜態(tài)特性 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解電容式傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。 二. 實(shí)驗(yàn)原理 電容式傳感器有多種形式，本實(shí)驗(yàn)采用的是差動平板變面積式，由兩組定極板和一組動極板組成。當(dāng)安裝于測試臺上的動極板上、下位移，與兩組定極板之間的重疊面

22、積發(fā)生變化時，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動電容。如將上層定極板與動極板形成的電容定為Cxi，下層定極板與動極板形成的電容定為CX2,當(dāng)將CX1和CX2接入電容變換器時，輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與測試臺的位移有關(guān)。 三. 實(shí)驗(yàn)所需部件 電容傳感器、電容放大器、低通濾波器、差動放大器、低頻振蕩器、測微頭、數(shù)字示波器、數(shù)字電壓表。 圖i電容式傳感器靜態(tài)測量實(shí)驗(yàn)線路圖 四. 實(shí)驗(yàn)步驟 1. 數(shù)字電壓表置20V檔，差動放大器和電容放大器的增益適中，按圖1接線。 2. 開啟主、副電源，旋轉(zhuǎn)測微頭帶動測試臺上下位移，使電容傳感器動極板位于兩靜極板的中間某位置（目視）。用差動放大器“

23、調(diào)零”電位器調(diào)整，使數(shù)字電壓表顯示為0，設(shè)此時位移x=0。 3. 以此位置為起點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)測微頭，分別向上、向下移動，每移動0.5mm讀取相應(yīng)的Uo值，并記入表1。 表1電容式傳感器位移測量數(shù)據(jù) 向上x （mm ） 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 U（V） 0.0 0.018 0.015 0.003 0.030 0.026 0.0 0.018 0.026 0.024 0.010 0.008 0.020 向下x （mm ） 0.0 -0.5 -1.0

24、-1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0 -5.5 -6.0 U（V） 0.0 0.030 0.004 0.030 0.063 0.058 0.036 0.060 0.052 0.061 0.052 0.060 0.070 4. 卸下測微頭，低頻振蕩器輸出端V。接“激振”左側(cè)線圈，適當(dāng)調(diào)節(jié)低頻振蕩器頻率和幅度，使差動放大器輸出波形較大但不失真，用示波器觀察波形。 五. 思考題 1. 求出靈敏度。 2. 畫出U－x曲線。 六. 注意事項(xiàng) 1. 電容動片與兩定片之間的片間距離需相等，必要時可稍做調(diào)整。位移和振動時均不可有擦片現(xiàn)象，否則會造成輸出信號突變。 2. 如果差動放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波，可將電容變換器增益進(jìn)一步減小。 3. 由于測試臺彈性恢復(fù)滯后，雖然測微頭回到起始刻度，但差動放大器輸出電壓并不一定回零。此時可反方向旋轉(zhuǎn)測微頭，使輸出電壓過零后再回到初始位置，反復(fù)幾次，差放電壓即到零，然后進(jìn)行負(fù)方向?qū)嶒?yàn)。