测试技术实验指导书罗烈雷 编湖南文理学院 机械工程系06.10.2006 测试技术实验指导书第2页共32页测试技术实验指导书一、测试技术实验的地位和作用 测试技术实验的地位和作用 《传感器与检测技术》课程，在高等理
工科院校机械类各专业的教学计划中，是一门重 要的专业基础课，而实验课是完成本课程教学的重要环节。其主要任务是通过实验巩固和消 化课堂所讲授理论内容的理解，掌握常用传感器的工作原理和使用方法，提高学生的动手能 力和学习兴趣。其目的是使学生掌握非电量检测的基本方法和选用传感器的原则，培养学生 独立处理问题和解决问题的能力。 二、应达到的实验能力标准 1、通过 应变式传感器实验 ，掌握理论课上所讲授的应变片的工作原理，并验证单臂、 半桥、全桥的性能及相互之间关系。 2、通过差动变压器静态位移性能测试和差动变压器零点残余电压的补偿电路设计，掌握 理论课上所讲授的差动变压器的工作原理和零点残余电压的补偿措施。 3、通过电涡流式传感器的静态标定和被测体材料对电涡流式传感器特性的影响实验，掌 握理论课上所讲授的电涡流式传感器的原理及工作性能，验证不同性质被测体材料对电涡流 式传感器性能的影响。 4、通过差动面积式电容传感器的静态及动态特性测试，了解差动面积式电容传感器的工 作原理及其特性。 5、通过磁电感应式传感器的性能和霍尔式传感器直流静态位移特性的测试方法，掌握磁 电感应式传感器的工作原理及其性能和霍尔式传感器的工作原理及其特能。 6、通过压电式传感器的动态响应和引线电容对电压放大器与电荷放大器的影响实验，掌 握压电式传感器的原理、结构及应用和验证引线电容对电压放大器的影响，了解电荷放大器 的原理和使用方法。 7、通过光敏三极管和光敏电阻的性能测试，掌握光电传感器的原理与应用方法。 8、热电偶和热敏电阻的性能测试的方法，掌握热电偶的原理和 NTC 热敏电阻的工作原 理和使用方法，并对传感器灵敏度线性度进行分析。22006 测试技术实验指导书第3页共32页9、通过差动放大器和低通滤波器设计和测试，掌握差动放大器和滤波器的设计方法和性 能测试方法。 10、通过集成温度传感器 AD590 和 DS1820 设计，掌握输出电流型和新型单总线数字温 度传感器的工作特性和使用方法。 三、学时、教学文件及教学形式 学时、 学时：本课程总学时为 48 学时，其中实验为 8 学时，占总学时的 17% 。 教学文件：《测试技术实验指导书》，实验报告学生自拟。 教学形式：本课程实验为验证性实验。学生实验前预习实验指导书，并写出预习报告。 指导教师概述实验基本原理和方法及仪器使用方法等，并作针对性指导，具体实验步骤及测 量数据处理由学生自行完成。 四、实验成绩评定 根据学生所组成的系统难易程度、数据图形的正确性、学习态度、实验技能、实验报告 等综合评分。实验成绩占本课程总成绩 15% ，对缺实验成绩者．本课程不予通过。 五、主要实验仪器设备 、 双踪示波器、万用表、传感器综合实验仪等。 六、实验基本要求 熟练掌握实验的基本技能，学会正确使用仪器仪表，能独立設计检测电路、联接线路并 完成实验，能分析并排除实验过程中的一般故障。实验后要正确处理原始数据并完成实验报 告。 七、实验项目开设序 号 1 实验名称 内 容 提 要 实验 要求 必开 实验 时数 2 实验 类型 验证 每组 人数 2 所 在 实验室 名 称 备 注金属箔式应变片： 金属箔式应变片： 验证单臂.半桥. 单 臂 . 半 桥 . 全 桥 验证单臂.半桥.全桥的性能 比较实验 电涡流式传感器 的静态标定 交流电桥的应用 —振动的测量 霍尔传感器的应 用 了解电涡流式传感器的原理及工作 性能（静态特性） 性能（静态特性） 了解交 了解交流激励电桥的应用 了解霍尔传感器在振动测量中的应 用2必开2验证2测试技 术实验 室3 4必开 必开2 2验证 验证2 2注：可按“实验目录”所列的实验项目利用课余时间选做其它实验。32006 测试技术实验指导书第4页共32页实 验 目 录实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 实验八 实验九 实验十 实验十一 实验十二 实验十三 实验十四 实验十五 实验十六 实验十七 实验十八 实验十九 实验二十 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验 金属箔式应变片――半桥性能实验 金属箔式应变片――全桥性能实验 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较实验 金属箔式应变片――温度影响实验 直流全桥的应用――电子秤实验 交流全桥的应用――振动测量实验 扩散硅压阻压力传感器的压力测量实验 扩散硅压阻压力传感器差压测量实验＊ 差动变压器的性能实验 激励频率对差动变压器特性的影响实验 差动变压器零点残余电压补偿实验 差动变压器的应用――振动测量实验 电容式传感器的位移特性实验 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 电容传感器动态特性实验 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验 霍尔测速实验 磁电式转速传感器的测速实验 霍尔式传感器振动测量实验 用磁电式原理测量地震＊ 压电式传感器振动实验 霍尔式传感器的应用――电子秤实验实验二十一 电涡流传感器的位移特性实验 实验二十二 被测体材质对电涡流传感器的特性影响实验42006 测试技术实验指导书第5页共32页金属箔式应变片―― ――单臂电桥性能实验 实验一 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为： ΔR／R＝Kε式中ΔR／R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数, ε=Δl/l 为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件， 通过它转换被测部位受力状态变化 、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了 相应的受力状态。 ，对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器－电子秤、砝码、数显表、±15V 电源、±4V 电源、万用表（自备） 。四、实验步骤：1、根据图（1－1）应变式传感器（电子秤）已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模 板的左上方的 R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1＝R2＝R3 ＝R4＝350Ω，加热丝阻值为 50Ω左右图 1－1 应变式传感器安装示意图 2、接入模板电源±15V（从主控台引入） ，检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益 电位器 RW3 顺时针调节大致到中间位置，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正负输入端与 地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端 Vi 相连，调节实验模板上调零电位器 RW4，使数显52006 测试技术实验指导书第6页共32页表显示为零（数显表的切换开关打到 2V 档） 。关闭主控箱电源（注意：当 Rw3、Rw4 的位置一旦确 定，就不能改变。一直到做完实验三为止） 。 3、将应变式传感器的其中一个电阻应变片 R1（即模板左上方的 R1）接入电桥作为一个桥臂与 R5、 R6、R7 接成直流电桥（R5、R6、R7 模块内已接好） ，接好电桥调零电位器 RW1，接上桥路电源± 4V（从主控台引入）如图 1－2 所示。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节 RW1，使数显 表显示为零。图 1－2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 4、在电子称上放置一只砝码， 读取数显表数值， 依次增加砝码和读取相应的数显表值， 直到 200g （或 500 g）砝码加完。记下实验结果填入表 1－1，关闭电源。 重量(g) 电压(mv)62006 测试技术实验指导书第7页共32页5、根据表 1－1 计算系统灵敏度 S＝ΔU/ΔW（ΔU 输出电压变化量，ΔW 重量变化量）和非线性误差 δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值，此处为 200g（或 500g） 。五、思考题：单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用： （1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负 应变片均可以。72006 测试技术实验指导书第8页共32页金属箔式应变片―― ――半桥性能实验 实验二 金属箔式应变片――半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 二、基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压 UO2＝EKε／2。三、需用器件与单元：同实验一。 四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。做实验（一）的步骤 2，实验模板差动放大器调零。 2、根据图 1－3 接线。R1、R2 为实验模板左上方的应变片，注意 R2 应和 R1 受力状态相反，即将传感 器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V， 调节电桥调零电位器 RW1 进行桥路调零，实验步骤 3、4 同实验一中 4、5 的步骤，将实验数据记 入表 1－2，计算灵敏度 S2＝U／W，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明 R2 与 R1 为相同受 力状态应变片，应更换另一个应变片。82006 测试技术实验指导书第9页共32页图 1－3 应变式传感器半桥实验接线图 表 1－2 半桥测量时，输出电压与加负载重量值 重量 电压五、思考题：1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在： （1）对边（2）邻边。 2、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为： （1）电桥测量原理上存在非线性（2）应变片 应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零。金属箔式应变片―― ――全桥性能实验 实验三 金属箔式应变片――全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。 二、基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4 时，其桥路输出电压 U03＝KEε。其输出灵敏度比半桥又 提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。三、需用器件和单元：同实验一 四、实验步骤：1、传感器安装同实验一。 2、根据图 1－4 接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表 1－3；进行灵敏度和非线性误差 计算。92006 测试技术实验指导书第10页共32页1－4 全桥性能实验接线图 表 1－3 全桥输出电压与加负载重量值 重量 电压五、思考题：1、全桥测量中，当两组对边（R1、R3 为对边）电阻值 R 相同时，即 R1＝R3，R2＝R4，而 R1≠R2 时， 是否可以组成全桥： （1）可以（2）不可以。 2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如何利用这四片电阻应变片组成 电桥，是否需要外加电阻。 F FR3R1 R3R1R4R2 R4R2FF图 1－5 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图金属箔式应变片单臂、半桥、 实验四 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较一、实验目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 二、实验步骤：根据实验一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由（注意：实验一、二、三中的放大器增益必须相同） 。实验五 金属箔式应变片的温度影响实验一、实验目的：了解温度对应变片测试系统的影响。102006 测试技术实验指导书第11页共32页二、基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态 不变时，输出会有变化。三、需用器件与单元：应变传感器实验模板、数显表单元、直流源、加热器（已贴在应变片底部） 四、实验步骤：1、保持实验四的实验结果。 2、放 200g 砝码加于砝码盘上，在数显表上读取某一整数值 UO1。 3、将 5V 直流稳压电源接于实验模板的加热器插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记 下读数 Uot ,Uot-U01 即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差 δ =U ot
U o1 × 100 % U ot五、思考题1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？ 2、应变式传感器可否用于测量温度？直流全桥的应用―― ――电子秤实验 实验六 直流全桥的应用――电子秤实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量纲（g）即成为一台原始电子秤。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码 四、实验步骤：1、按实验一中 2 的步骤，将差动放大器调零，按图 1－4 全桥接线，合上主控台电源开关，调节电桥 平衡电位 RW1，使数显表显示 0.00V。 2、将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器 RW3（增益即满量程调节）使数显表显示为 0.200V(2V 档测量)或－0.200V。 3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器 R W4（零位调节）使数显表显示为 0.0000V。112006 测试技术实验指导书第12页共32页4、重复 2、3 步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲 V 改为重量纲 g，就可以称重。成为一 台原始的电子秤。 5、把砝码依次放在托盘上，填入下表 1－4。 重量 （g） 电压(mv) 6、根据上表，计算误差与非线性误差。交流全桥的应用―― ――振动测量实验 实验七 交流全桥的应用――振动测量实验一、实验目的：了解利用交流电桥测量动态应变参数的原理与方法。 二、基本原理：对于交流应变信号用交流电桥测量时，桥路输出的波形为一调制波，不能直接显示其应变值，只有通过移相检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读 得。三、需用器件与单元：音频振荡器、低频振荡器、万用表（自备） 、应变式传感器实验模板、相敏检波器模板、双综示波器、振动源。四、实验步骤：1、模块上的传感器不用，改为振动梁的应变片，即台面上的应变输出。 2、将台面三源板上的应变插座用连接线插入应变传感器实验模板上。因振动梁上的四片应变片已组成 全桥，引出线为四芯线，因此可直接接入实验模板面上已联成电桥的四个插孔上。接线时应注意连 接线上每个插头的意义，对角线的阻值为 350Ω，若二组对角线阻值均为 350Ω则接法正确（万用表 测量） 。 3、根据图 1－8，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2 为交流电桥调平衡网络。检查接 线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到 1KHz 左右，幅度调节到 10Vp-p（频 率可用数显表 Fin 监测，幅度用示波器监测）122006 测试技术实验指导书第13页共32页图 1－6 应变片振动测量实验接线图 4、将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台（圆盘）明显感到振动。 5、固定低频振荡器幅度钮旋位置不变，低频输出端接入数显单元的 Fin，把数显表的切换开关打到频率 档监测低频频率，调低频频率，用示波器读出频率改变时低通滤波器输出 Vo 的电压峰－峰值，填入132006 测试技术实验指导书第14页共32页6、表 1－5。 f(Hz) Vo(p-p) 从实验数据得振动梁的自振频率为 HZ。五、思考题：1、在交流电桥测量中，对音频振荡器频率和被测梁振动频率之间有什么要求？ 2、请归纳直流电桥和交流电桥的特点？小结：电阻应变式传感器从 1938 年开始使用到目前，仍然是当前称重测力的主要工具，电阻应变式传感器最 高精度可达万分之一甚至更高，电阻应变片、丝除直接用以测量机械、仪器及工程结构等的应变外，主要 是与种种形式的弹性体相配合，组成各种传感器和测试系统。如称重、压力、扭矩、位移、加速度等传感 器，常见的应用场合如各种商用电子称、皮带称、吊钩称、高炉配料系统、汽车衡、轨道衡等。 附移相器和相敏检波器电路原理图图 1－7 移相器电路原理图142006 测试技术实验指导书第15页共32页图 1－8 相敏检波器的电路原理图实验八 压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和方法。 二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器在单晶硅的基片上扩散出 P 型或 N 型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，我们 把这一变化引入测量电路，则其输出电压的变化反映了所受到的压力变化。三、需用器件与单元：压力源（已在主控箱） 、压力表、压阻式压力传感器、压力传感器实验模板、流量计、三通连接导管、数显单元、直流稳压源±4V、±15V。四、实验步骤：1、根据图 2－1 连接管路和电路，主控箱内的气源部分，压缩泵、贮气箱、流量计已接好。将标准压力 表放置传感器支架上，三通连接管中硬管一端插入主控板上的气源快速插座中（注意管子拉出时请 用双指按住气源插座边缘往内压，则可轻松拉出） 。其余两根黑色导管分别与标准表和压力传感器接 通。这里选用的差压传感器两只气咀中，一只为高压咀，另一只为低压咀。当高压咀接入正压力时， 输出为正，反之为负，若输出负时可调换气咀。本实验模板连接见图 2－2，压力传感器有 4 端： 1 端线接地线，2 端为 U0＋，3 端接＋4V 电源，4 端为 Uo－。1、2、3、4 端顺序排列见图 2－2。152006 测试技术实验指导书第16页共32页图 2－1 压阻式压力传感器测量系统图 2－2 压力传感器压力实验接线图 2、实验模板上 RW2 用于调节零位，RW1 可调放大倍数，按图 2－2 接线，模板的放大器输出 Vo 引到主 控箱数显表的 Vi 插座。将显示选择开关拨到 2V 档，反复调节 RW2（RW1 旋到满度的确 1／3）使数 显表显示为零。 3、先松开流量计下端进气口调气阀的旋钮，开通流量计。 4、合上主控箱上的气源开关 K3，启动压缩泵，此时可看到流量计中的滚珠浮子在向上浮起悬于玻璃管 中。162006 测试技术实验指导书第17页共32页5、逐步关小流量计旋钮，使标准压力表指示某一刻度，观察数显表显示电压的正、负，若为负值则对 调传感器气咀接法。 6、仔细地逐步由小到大调节流量计旋钮， 使压力显示在 4－14KP 之间每上升 1KP 分别读取压力表读数， 记下相应的数显表值列于表（2－1） 表（2－1）压力传感器输出电压与输入压力值 P(KP) Vo(p-p) 7、计算本系统的灵敏度和非线性误差。 8、如果本实验装置要成为一个压力计，则必须对电路进行标定，方法如下：输入 4KPa 气压，调节 Rw2 （低限调节） 使数显表显示 0.400V， ， 当输入 12KPa 气压， 调节 Rw1 （高限调节） 使数显表显示 1.200V 这个过程反复调节直到足够的精度即可。五、思考题：利用本系统如何进行真空度测量？实验九扩散硅压阻式压力传感器差压测量一、实验目的：了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。 二、基本原理：压阻式压力传感器的硅膜片受到两个压力 P1 和 P2 作用时由于它们对膜片产生的应力正好相反，因此作用在压力膜片上是ΔP＝P1－P2，从而可以进行差压测量。三、需用器件与单元：实验九所用器件和单元、压力气囊。 四、实验步骤：请学员们自拟一个差压测量的方法。172006 测试技术实验指导书第18页共32页实验十 差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。 二、基本原理：差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二 段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间 的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少， 将两只次级反向串接（同名端连接） ，就引出差动输出。其输出电势反映出被测体的移动量。 三、需用器件与单元： 差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电 源（音频振荡器） 、万用表。 四、实验步骤： 1、根据图 3－1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。图 3－1 差动变压器电容传感器安装示意图 2、在模块上按图 3－2 接线，音频振荡器信号必须从主控箱中的 Lv 端子输出，调节音频振荡器的频率， 输出频率为 4－5KHz（可用主控箱的频率表输入 Fin 来监测） 。调节输出幅度为峰－峰值 Vp-p＝2V （可用示波器监测：X 轴为 0.2ms/div） 。图中 1、2、3、4、5、6 为连接线插座的编号。接线时，航 空插头上的号码与之对应。当然不看插孔号码，也可以判别初次级线圈及次级同名端。判别初次线 图及次级线圈同中端方法如下：设任一线圈为初级线圈，并设另外两个线圈的任一端为同名端，按182006 测试技术实验指导书第19页共32页图 3－2 接线。当铁芯左、右移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形，次级线圈波形，当次级波 形输出幅度值变化很大，基本上能过零点，而且相应与初级线圈波形（Lv 音频信号 Vp-p＝2ｖ波形） 比较能同相或反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的，否则继续改变连接再判别 直到正确为止。图中（1）（2）（3）（4）为实验模块中的插孔编号。 、 、 、 3、旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰－峰值 Vp-p 为最小，这时可以左右位移，假设其中一 个方向为正位移，另一个方向位称为负，从 Vp-p 最小开始旋动测微头，每隔 0.2mm 从示波器上读出 输出电压 Vp-p 值，填入下表 3－1，再人 Vp-p 最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右 位移时，初、次级波形的相位关系。图 3－2 双踪示波器与差动变压器连结示意图 4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表 3－1 画出 Vop-p－X 曲线，作出量程为±1mm、±3mm 灵敏度和非线性误差。 表（3－1）差动变压器位移 X 值与输出电压数据表 V(mv) X(mm)五、思考题：192006 测试技术实验指导书第20页共32页1、用差动变压器测量较高频率的振幅，例如 1KHZ 的振动幅值，可以吗？差动变压器测量频率的上限 受什么影响？ 2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？ 3、移相器的电路原理图如图 1－7，试分析其工作原理？ 4、相敏检波器的电路原理图如图 1－8，试分析其工作原理？实验十一 激励频率对差动变压器特性的影响一、实验目的：了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。 = ω ( M 1
M 2 ) U i U0 R 2 + ω 2 L 2P P 二、基本原理：差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：表示,式中 LP、RP 为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、ω为激励电压和频率，M1、M2 为初级与两次级间互感 系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若 RP2＞ω2LP2，则输出电压 Uo 受频率变 动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2 时输出 Uo 与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生 电容增大，对性能稳定不利。 三、需用器件与单元：与实验十相同。 四、实验步骤： 1、差动变压器安装同实验十。接线图同实验十。 2、选择音频信号输出频率为 1KHZ，Vp-p＝2V。从 LV 输出， （可用主控箱的数显表频率档显示频率） 移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置，调节 Rw1 、Rw2 使输出变得更小， 3、用示波器监视第二通道，旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置 2.50mm 处，有较大的输出。 将测试结果记入表 3－2。 4、分别改变激励频率从 1KHZ――9KHZ，幅值不变，将测试结果记入表 3－2 表 3－2 不同激励频率时输出电压的关系。 F(Hz) V0(v)201KHz2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHz2006 测试技术实验指导书第21页共32页5、作出幅频特性曲线。实验十二 差动变压器零点残余电压补偿实验一、实验目的：了解差动变压器零点残余电压补偿方法。 二、基本原理：由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性， 二次级的不均匀、不一致，铁芯 B－H 特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输 出电压并不为零。称其为零点残余电压。 三、需用器件与单元：音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器。 四、实验步骤： 1、按图 3－3 接线，音频信号源从 LV 插口输出，实验模板 R1 、C1 、RW1 、RW2 为电桥单元中调平 衡网络。图 3－3 零点残余电压补偿电路 2、利用示波器调整音频振荡器输出为 2V 峰－峰值。 3、调整测微头，使差动放大器输出电压最小。 4、依次调整 RW1、RW2，使输出电压降至最小。 5、将第二通道的灵敏度提高，观察零点残余电压的波形，注意与激励电压相比较。 6、从示波器上观察，差动变压器的零点残余电压值（峰－峰值）（注：这时的零点残余电压经放大 。 后的零点残余电压＝V 零点 p-p／K，K 为放大倍数） 五、考题： 1、请分析经过补偿后的零点残余电压波形。 2、本实验也可用图 3－4 所示线路，请分析原理。212006 测试技术实验指导书第22页共32页图 3 －4 零点残余电压补偿电路之二差动变压器的应用―― ――振动测量实验 实验十三 差动变压器的应用――振动测量实验一、实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。 二、基本原理：利用差动变压器测量动态参数与测位移量的原理相同。 三、需用器件与单元：音频振荡器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、测微头、 数显单元、低频振荡器、振动源单元（台面上） 、示波器、直流稳压电源。 四、实验步骤： 1、将差动变压器按图 3－5，安装在台面三源板的振动源单元上。图 3-5差动变压器振动测量安装图2、按图 3－6 接线，并调整好有关部分，调整如下： （1）检查接线无误后，合上主控台电源开关， 用示波器观察 LV 峰－峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使 Vop-p=2V（2）利用示波器观察相敏检222006 测试技术实验指导书第23页共32页波器输出，调整传感器连接支架高度，使示波器显示的波形幅值为最小。 （3）仔细调节 RW1 和 RW2 使示波器（相敏检小波器）显示的波形幅值更小，基本为零点。 （4）用手按住振动平台（让 传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接 近全波整流波形。 （5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线。 （否则再调节 RW1 和 RW2）激 振源接上低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示 波器观察放大器 Vo 相敏检波器的 Vo 及低通滤波器的 Vo 波形。图 3－6 差动变压器振动测量实验接线图 3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压 Vp-p 的监测方法与实验十相同） 用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰－峰电压值，记下实验数据，填入下表 3－3 表 3－3 f(Hz) Vp-p（V） 4、根据实验结果作出梁的振幅――频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的 结果相比较。 5、保持低频振荡器频率不变， 改变振荡幅度， 同样实验可得到振幅与电压峰峰值 Vp-p 曲线 （定性） 。 注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。232006 测试技术实验指导书第24页共32页五、思考题： 1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何？ 2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？实验十四 电容式传感器的位移实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理： 利用平板电容 C＝εA／d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选 择ε、A、d 中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干 燥度（ε变）测微小位移（变 d）和测量液位（变 A）等多种电容传感器。 三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显 单元、直流稳压源。 四、实验步骤： 1、 按图 3－1 安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上，判别 CX1 和 CX2 时，注意 动极板接地，接法正确则动极板左右移动时，有正、负输出。不然得调换接头。一般接线： 二个静片分别是 1 号和 2 号引线，动极板为 3 号引线。 2、 将电容传感器电容 C1 和 C2 的静片接线分别插入电容传感器实验模板 Cx1、Cx2 插孔上，动 极板连接地插孔（见图 4－1） 。242006 测试技术实验指导书第25页共32页图 4－1 电容传感器位移实验接线图 3、 将电容传感器实验模板的输出端 Vo1 与数显表单元 Vi 相接（插入主控箱 Vi 孔） ，Rw 调节到 中间位置。 4、 接入±15V 电源，旋动测微头推进电容器传感器动极板位置，每间隔 0.2mm 记下位移 X 与 输出电压值，填入表 4－1。 表 4－1 电容传感器位移与输出电压值 X(mm) V(mv) 5、 根据表 4－1 数据计算电容传感器的系统灵敏度 S 和非线性误差δf。五、 思考题：试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑哪些因 素？实验十五 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：根据霍尔效应，霍尔电势 UH＝KHIB，当霍尔元件处在梯度磁场中运动时，它 就可以进行位移测量。252006 测试技术实验指导书第26页共32页三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源、测微头、数显单元。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器按图 5－1 安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图 5－2 进行。1、3 为电 源±4V，2、4 为输出。 2、开启电源，调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节 RW1 使数显表指示为零。图 5 图 5－1 霍尔传感器安装示意图3、 4、图 5－2 霍尔传感器位移――直流激励实验接线图 3、微头向轴向方向推进，每转动 0.2mm 记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表 5－1。 表 5－1 X （mm） V(mv) 作出 V－X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。五、 思考题：本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？262006 测试技术实验指导书第27页共32页实验十六 交流激励时霍尔式传感器的位移实验一、实验目的：了解交流激励时霍尔式传感器的特性。 二、基本原理：交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。 三、需用器件与单元：在实验十六基础上加相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。 四、实验步骤： 1、传感器安装同实验十六，实验模板上连线见图 5－3。图 5－3 交流激励时霍尔传感器位移实验接线图 2、调节音频振动器频率和幅度旋钮，从 Lv 输出，用示波器测量使电压输出频率为 1KHz，电压峰－峰 值为接上交流电源，激励电压从音频输出端 LV 输出频率 1KHZ，幅值为 4V 峰－峰值（注意电压过大 会烧坏霍尔元件） 。 3、调节测微头使霍尔传感器处于磁钢中点，先用示波器观察使霍尔元件不等位电势为最小，然后从数 显表上观察，调节电位器 RW1、RW2 使显示为零。 4、调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，利用示波器观察相敏检波器输出，旋转移相单元电位 器 RW 和相敏检波电位器 RW，使示波器显示全波整流波形，且数显表显示相对值。 5、使数显表显示为零，然后旋动测微头记下每转动 0.2mm 时表头读数，填入表 5－2。272006 测试技术实验指导书第28页共32页表 5－2 交流激励时输出电压和位移数据 X（mm） V(mv) 6、根据表 5－2 作出 V－X 曲线，计算不同量程时的非线性误差。五、 思考题：利用霍尔元件测量位移和振动时，使用上有何限制？实验十七 霍尔测速实验一、实验目的：了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理：利用霍尔效应表达式：UH＝KHIB，当被测圆盘上装上 N 只磁性体时，圆盘每转一周磁场 就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量 被测旋转物的转速。 三、需用器件与单元：霍尔转速传感器、直流源＋5V、转动源 2－24V、转动源单元、数显单元的转速 显示部分。四、实验步骤：1、根据图 5－4，将霍尔转速传感器装于传感器支架上，探头对准反射面内的磁钢。图 5－4 霍尔、光电、磁电转速传感顺安装示意图 2、将 5V 直流源加于霍尔转速传感器的电源端（1 号接线端） 。 3、将霍尔转速传感器输出端（2 号接线端）插入数显单元 Fin 端，3 号接线端接地。 4、将转速调节中的＋2V－24V 转速电源接入三源板的转动电源插孔中。 5、将数显单元上的开关拨到转速档。 6、调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变化。五、思考题：282006 测试技术实验指导书第29页共32页1、利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制？ 2、本实验装置上用了十二只磁钢，能否用一只磁钢？实验十八 磁电式转速传感器测速实验一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。 二、基本原理： 基于电磁感应原理， 匝线圈所在磁场的磁通变化时， N 线圈中感应电势： e =
N dtdΦ发生变化，因此当转盘上嵌入 N 个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生 N 次的变化，通过放大、整 形和计数等电路即可以测量转速。 三、需用器件与单元：磁电式传感器、数显单元测转速档、直流源 2－24V。 四、实验步骤： 1、 磁电式转速传感器按图 5－4 安装传感器端面离转动盘面 2mm 左右。将磁电式传感器输出端插入 数显单元 Fin 孔。 （磁电式传感器两输出插头插入台面板上二个插孔） 2、 将显示开关选择转速测量档。 3、 将转速电源 2－24V 用引线引入到台面板上 24V 插孔，合上主控箱电开关。使转速电机带动转盘 旋转，逐步增加电源电压观察转速变化情况。五、 思考题：为什么说磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由吗？用磁电式原理测量地震＊ 实验十九 用磁电式原理测量地震＊磁电式传感器是绝对测量原理的传感器，因此它可以直接放在地面上测量地震，用而不用找其 它相对静止点。请设计一个简易的地震仪用来测量车床、床身振动。实验二十 压电式传感器测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的测量振动的原理和方法。 二、基本原理：压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。 （观察实验用压电加速度计结构）工 作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电 效应，压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。 三、需用器件与单元：振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。292006 测试技术实验指导书第30页共32页双踪示波器。四、实验步骤：1、压电传感器已装在振动台面上。 2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。图 7－1 压电式传感器性能实验接线图 3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端，见图 7－1，与传感器外壳相连的接线 端接地，另一端接 R1。将压电传感器实验模板电路输出端 Vo1，接 R6。将压电传感器实验模板电路 输出端 V02，接入低通滤波器输入端 Vi，低通滤波器输出 V0 与示波器相连。 4、合上主控箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察示波器波形。 5、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。实验二十一 电涡流传感器位移实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。 二、基本原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗， 而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。 三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。302006 测试技术实验指导书第31页共32页四、 实验步骤：1、根据图 8－1 安装电涡流传感器。图 8－1 电涡流传感器安装示意图图 8-1 电涡流传感器安装示意图图 8－2 电涡流传感器位移实验接线图2、观察传感器结构，这是一个平绕线圈。 3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有 L 的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。 4、在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。 5、将实验模板输出端 Vo 与数显单元输入端 Vi 相接。数显表量程切换开关选择电压 20V 档。 。 6、用连结导线从主控台接入 15V 直流电源接到模板上标有＋15V 的插孔中。 7、使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔 0.2mm 读一个 数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表 8－1。312006 测试技术实验指导书第32页共32页表 8－1 电涡流传感器位移 X 与输出电压数据 X（mm） V(v) 8、根据表 8－1 数据，画出 V－X 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点， 试计算量程为 1mm、3 mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线） 。五、 思考题：1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm 的量程应如何设计传感器？ 2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器。实验二十二 被测体材质对电涡流传感器特性影响一、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。 二、基本原理：涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。 三、需用器件与单元：除与实验二十五相同外，另加铜和铝的被测体圆盘。 四、实验步骤： 1、传感器安装与实验二十五相同。 2、将原铁圆片换成铝和铜圆片。 3、重复实验二十五步骤， 进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试， 分别记入表 8－2 和表 8－3。 表 8－2 被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据 X（mm） V(v) 表 8－3 被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据 X（mm） V(v) 4、根据表 8－2 和表 8－3 分别计算量程为 1mm 和 3mm 时的灵敏度和非线性误差（线性度） 。 5、分别比较实验二十五和本实验所得结果进行小结。五、 思考题：当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试？32
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