傳感與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書-2011新.

1、實(shí)驗(yàn)一應(yīng)變片測(cè)量電橋特性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握應(yīng)變片的布片及接橋方法；2. 了解應(yīng)變片單臂、半橋、全橋的工作原理和工作特性；3. 了解測(cè)試應(yīng)變片單臂、半橋、全橋輸出與輸入電壓之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)變片是一種將機(jī)械構(gòu)件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變換元件，一般做成片狀，簡(jiǎn)稱為應(yīng)變片。應(yīng)變片按材料的不同有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。應(yīng)變片是最常用的測(cè)力敏感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測(cè)力時(shí)，應(yīng)變片應(yīng)牢固地粘貼在測(cè)試體表面， 當(dāng)測(cè)試體受力發(fā)生變形時(shí)，應(yīng)變片敏感柵的結(jié)構(gòu)尺寸隨之變化，其電阻值將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。通過應(yīng)變片測(cè)量電橋，將應(yīng)變片電阻值的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出。電橋電路是最常用的非電量電測(cè)電路中的一種，

2、當(dāng)電橋平衡時(shí)， 橋路相對(duì)臂電阻乘積相等，電橋輸出電壓為零。在橋臂四個(gè)電阻R1、 R2 、R3、 R4 中，電阻的相對(duì)變化量分別為R1/ R1、 R2/ R2、 R3/ R3、 R4/ R4 ，橋路的輸電壓出與應(yīng)變RR1R2R3R4 成R1R2R3R4正比。通常應(yīng)變測(cè)量電橋都采用等臂橋，此時(shí)R1= R2 = R3= R4=R， R1=- R2 =R3=- R4=R。當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片接成單臂橋時(shí)，則有R ；當(dāng)使用二個(gè)應(yīng)變片接成差動(dòng)半橋時(shí)，RR則有R2 R ；若用四個(gè)應(yīng)變片接成差動(dòng)全橋時(shí)，則有R4R 。RR根據(jù)電路分析可以得出：?jiǎn)伪蹨y(cè)量電橋的輸出電壓UO =KU i R/ 4，差動(dòng)半橋輸出電壓UO

3、=KU i R/ 2，差動(dòng)全橋輸出電壓U O=KU i R ；相應(yīng)地單臂測(cè)量電橋輸出電壓的靈敏度K u=U O / R/R =Ui / 4，差動(dòng)半橋輸出電壓的靈敏度K u=U O/ R/R =U i / 2，差動(dòng)全橋輸出電壓的靈敏度 K u=U O/ R/R = Ui 。由此可知，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大；當(dāng)Ui 和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。三、需用器件及單元實(shí)驗(yàn)臺(tái)主控箱( 4V、 15V、電壓表 ) 、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、托盤、砝碼、4 位半數(shù)顯萬用表。1圖 1 1應(yīng)變式傳感器安裝示意圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟圖 1 2 應(yīng)變式傳感器單臂

4、電橋?qū)嶒?yàn)接線圖（一） 應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０咫娐氛{(diào)試及說明1 實(shí)驗(yàn)?zāi)０逭f明如圖 1-1 所示，應(yīng)變式傳感器已裝于應(yīng)變傳感器模塊上，傳感器中各應(yīng)變片R1、 R2、R3、 R4 已接入圖1 2 所示實(shí)驗(yàn)電路的左上方，傳感器中各應(yīng)變片的靜態(tài)值均為350 ? 。實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)托盤加上法碼后，應(yīng)變片R1、R3 為承受拉應(yīng)變，其阻值增加；應(yīng)變片R2、R4承受壓應(yīng)變，其阻值減??；R1、 R2、 R3、 R4 應(yīng)變后阻值的大小可用萬用表測(cè)量。圖 1 2 中 R5、R6 、R7 為標(biāo)準(zhǔn)電阻， 圖中沒有文字標(biāo)記的5 個(gè)電阻符號(hào)下面是空的，其中 4 個(gè)組成電橋模型是為實(shí)驗(yàn)者搭接差動(dòng)半橋和全橋電路提供方便，圖中的黑粗線表示外

5、2接連線。2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)０宀顒?dòng)放大器調(diào)零圖 1 2 中 Rw1 和 Rw2 為電橋調(diào)零電位器，Rw3 和 Rw4 為差動(dòng)放大器調(diào)零電位器。由于測(cè)量電橋輸出電壓很小，實(shí)驗(yàn)時(shí)其輸出需接高輸入阻抗、高放大倍數(shù)的差動(dòng)運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器投入測(cè)量放大工作之前，需要進(jìn)行靜態(tài)調(diào)零。調(diào)零的方法如下：（ 1）接入模板電源 15V( 從主控箱引入 )，檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器 Rw3 順時(shí)針調(diào)節(jié)到大致中間位置 （先逆時(shí)針旋到底， 再順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 2 圈）。（ 2）將差放電路的正、 負(fù)輸入端與地短接， 輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳险{(diào)零電位器Rw4 ，使數(shù)顯

6、表顯示電壓值為零(數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V 檔 )，完畢關(guān)閉主控箱電源。（二）應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)1. 單臂電橋接線及調(diào)零參考圖 12 接入應(yīng)變片R1，作為一個(gè)橋臂，R1 與 R5、 R6 、R7(在模塊內(nèi)已連接好的標(biāo)準(zhǔn)電阻 )接成應(yīng)變片單臂測(cè)量電橋。接上橋路電源4V( 從主控箱引入)，檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)Rw1 使數(shù)顯表顯示電壓值為零。2. 單臂電橋?qū)嶒?yàn)在應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表顯示的電壓值；依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯電壓值，記入表1.1 中。表 1.1應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)表重量（ g）20406080100120140160180200電壓（ mv

7、)3. 實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)表 1.1 記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出加載實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算應(yīng)變片單臂測(cè)量電橋輸出電壓的靈敏度 SU/ g（ U 輸出電壓變化量，g 重量變化量）和非線性誤差 f1=m/y F.S 100，式中m 為輸出值（多次測(cè)量時(shí)為平均值）與擬合直線的最大偏差；yFS 滿量程輸出量（平均值） 。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。（三）應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)1. 半橋接線及調(diào)零參考圖 1 3 接線，應(yīng)變片 R1、R2 為一對(duì)差動(dòng)電阻應(yīng)變片（一為拉應(yīng)變、 一為壓應(yīng)變 )，3兩應(yīng)變片接于差動(dòng)半橋的兩相鄰邊上。保持實(shí)驗(yàn)步驟（二）電位器Rw3 、 Rw4 不變，接入橋路電源 4V ，調(diào)節(jié)Rw1 ，使數(shù)顯表電壓指示為零。圖 13

8、 應(yīng)變式傳感器半橋?qū)嶒?yàn)接線圖2. 半橋?qū)嶒?yàn)（ 1）在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表顯示的電壓值；依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯電壓值，記入表1.2 中。（ 2）依次減少砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯電壓值，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1.2。表 1.2應(yīng)變片半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)表重量（ g）20406080100120140160180200加載電壓（ mv）減載電壓（ mv)3. 實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)表 1.2 記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 畫出加載及減載實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算靈敏度S ,非線性誤差 、回程誤差大小。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。（四）應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)1. 全橋接線及調(diào)零參考圖 1 4 接線，應(yīng)變片R1、 R2、 R3、 R4 接成差動(dòng)

9、全橋（R1、 R3、為拉應(yīng)變，R2、R4 為壓應(yīng)變 )。保持實(shí)驗(yàn)步驟 （三）電位器 Rw3 、Rw4 不變，接入橋路電源4V ，調(diào)節(jié)Rw1 ，4使數(shù)顯表電壓指示為零。圖 14 全橋性能實(shí)驗(yàn)接線圖2. 全橋?qū)嶒?yàn)（ 1）在應(yīng)變傳感器托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表顯示的電壓值；依次增加砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯電壓值，記入表1.3 中。（ 2）依次減少砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯電壓值，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1.3。表 1.3應(yīng)變片全橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)表重量（ g）20406080100120140160180200加載電壓（ mv）減載電壓（ mv)3. 實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)表 1.3 記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 畫出加載及減載實(shí)驗(yàn)曲線，計(jì)算

10、靈敏度S ,非線性誤差 、回程誤差大小。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、注意事項(xiàng)1. 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)接線是否完好，連接電路時(shí)應(yīng)盡量使用較短的接插線；2. 接插線插入插孔時(shí)輕輕的做一小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證接觸良好，拔出時(shí)應(yīng)輕輕把反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導(dǎo)線斷裂；53. 認(rèn)真檢查實(shí)驗(yàn)接線，確認(rèn)接線無誤并經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后才能啟動(dòng)儀器電源，儀器內(nèi)部穩(wěn)壓電源（ 2V、 4V、 6V、 8V、 10V、 15V）不能對(duì)地短路。4. 接入半橋和全橋的應(yīng)變片須注意其受力方向，使其接成差動(dòng)式。六、思考題1. 單臂電橋時(shí)，作為橋臂電阻應(yīng)變片應(yīng)選用： （ 1）正（受拉）應(yīng)變片（ 2）負(fù)（受壓

11、）應(yīng)變片（ 3）正、負(fù)應(yīng)變片均可以。2.半橋測(cè)量時(shí)， 二片不同受力狀態(tài)的應(yīng)變片接入電橋時(shí)應(yīng)放在（1）對(duì)邊、 （2）鄰邊，為什么？3.全橋測(cè)量中，當(dāng)兩組對(duì)邊（R1、 R3 為對(duì)邊）電阻值R 相同時(shí)，即R1R3， R2 R4，而 R1 R2 時(shí)，是否可以組成全橋： （ 1）可以（ 2）不可以。4. 比較單臂、半橋和全橋輸出時(shí)的靈敏度和非線性度，從理論上進(jìn)行分析比較，闡述理由。6實(shí)驗(yàn)二差動(dòng)變壓器特性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握差動(dòng)變壓器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；2. 掌握差動(dòng)變壓器測(cè)位移的原理和方法；3了解初級(jí)線圈激勵(lì)頻率對(duì)差動(dòng)變壓器輸出性能的影響；4. 了解差動(dòng)變壓器殘余電壓及其補(bǔ)償方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1差動(dòng)

12、變壓器工作原理差動(dòng)變壓器是一種互感式傳感器，是利用變壓器初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間互感的變化，來獲得與被測(cè)量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出電壓，以實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。差動(dòng)變壓器有多種結(jié)構(gòu)形式，但應(yīng)用最多的是螺管式差動(dòng)變壓器（如圖 2-1 所示）。差動(dòng)變壓器主要用于測(cè)直線位移，測(cè)量位移的范圍 1 100(mm)；差動(dòng)變壓器亦可用于測(cè)量 150HZ 以下的低頻振動(dòng)加速度、壓力、張力等可以轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移變化的非電物理量。圖 2-1 差動(dòng)變壓器原理圖在圖 2-1 （ a）中， 1 表示變壓器初級(jí)線圈， 21 和 22 表示變壓器次級(jí)兩差動(dòng)線圈，3 為線圈絕緣框架， 4 表示動(dòng)鐵，變量X 表示動(dòng)鐵的位移變化量。在圖 2

13、-1（ b）中， R1 和 L1 表示初級(jí)線圈1 的電阻和自感， R21 和 R22 表示兩次級(jí)線圈的電阻，L 和L22表示兩次級(jí)線圈的自感，M 和 M 表示初級(jí)線圈分別與兩次級(jí)線圈間的互感，e211221和 e22 表示在初級(jí)電壓 u1 作用下在兩次線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， 圖中兩次級(jí)線圈反向串聯(lián)，形成差動(dòng)輸出電壓 u2。當(dāng)初級(jí)線圈L1 加上一定的交流電壓u1 時(shí)，在次級(jí)線圈中，由于電磁感應(yīng)所產(chǎn)生感應(yīng)電壓 e21 和 e22，其大小與鐵芯的軸向位移成比例。把感應(yīng)電壓e21 和 e22 反極性連接，便得到差7動(dòng)輸出電壓U2 M2-M1 。 當(dāng)動(dòng)鐵處于中間位置時(shí)，磁阻Rm1 = Rm2 ， 即互

14、感 M1 = M2 ，故此時(shí)輸出電壓U2 = 0 ； 當(dāng)動(dòng)鐵上移時(shí)，磁阻Rm1 Rm2 ，則 M1 M2 ，此時(shí)輸出電壓U2 0 ； 當(dāng)動(dòng)鐵下移時(shí)，磁阻Rm1 Rm2 ，則 M1 M2 ，此時(shí)輸出電壓U2 0 。因而差動(dòng)變壓器可以用來測(cè)量動(dòng)鐵位移的大小和方向。2靈敏度差動(dòng)變壓器的靈敏度是指差動(dòng)變壓器在單位電壓激勵(lì)下，動(dòng)鐵移動(dòng)單位距離時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓，以mv/mm表示，一般大于50mv/mm。三、需用器件與單元差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、差動(dòng)變壓器、測(cè)微頭、雙蹤示波器、音頻信號(hào)源、直流電源、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）差動(dòng)變壓器測(cè)位移性能實(shí)驗(yàn)1. 根據(jù)圖 2-2，將差動(dòng)變壓器裝在差動(dòng)變壓器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?/p>

15、上。差動(dòng)變壓器模板測(cè)量架測(cè)微頭圖 2-2差動(dòng)變壓器安裝示意圖2. 測(cè)微頭的安裝與使用（ 1）測(cè)微頭在實(shí)驗(yàn)中是用來產(chǎn)生位移并指示出位移量的工具。如圖2-3 所示，測(cè)微頭由不可動(dòng)部分安裝套、軸套和可動(dòng)部分測(cè)桿、微分筒、微調(diào)鈕組成。一般測(cè)微頭在使用前，首先轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒到10處 (為了保留測(cè)桿軸向前、后位移的余量)，再將測(cè)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(dòng)測(cè)微頭的安裝套(測(cè)微頭整體移動(dòng))使測(cè)桿與被測(cè)體連接并使被測(cè)體處于合適位置(視具體實(shí)驗(yàn)而定)時(shí)再擰緊支架座上的緊固螺釘。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒時(shí)，被測(cè)體就會(huì)隨測(cè)桿而位移。8圖 2-3測(cè)位頭組成與讀數(shù)（ 2）測(cè)微頭的軸套上有兩排刻度線，標(biāo)有

16、數(shù)字的（上排）是整毫米刻線(1格 )，未標(biāo)數(shù)字的（下排）是半毫米刻線( .格 )；微分筒前部圓周表面上刻有50 等分的刻線 (0.01格 )。用手旋轉(zhuǎn)微分筒或微調(diào)鈕時(shí)，測(cè)桿就沿軸線方向進(jìn)退。微分筒每轉(zhuǎn)過1 格，測(cè)桿沿軸方向移動(dòng)微小位移0.01 毫米，這也叫測(cè)微頭的分度值。（ 3）測(cè)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(duì)準(zhǔn)微分筒上的數(shù)值、可以估讀1 10 分度，如圖2-3 甲讀數(shù)為3.678，不是3.178。遇到微分筒邊緣前端與主尺上某條刻線重合時(shí)，應(yīng)看微分筒的分度示值是否過零，如圖 2-3 乙所示微分筒的分度示值已過零，此時(shí)讀數(shù)為2.514；如圖 2

17、-3 丙分度示值未過零，則不應(yīng)讀為，讀數(shù)應(yīng)為1.980。3. 設(shè)定音頻信號(hào)源： 音頻信號(hào)源必須從主控箱上音頻振蕩器的L V 端子輸出， 調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率， 使得其輸出頻率為 45KHz（可用主控箱的數(shù)顯表的頻率檔f i 輸入來監(jiān)測(cè)） 。調(diào)節(jié)幅度使輸出幅度峰 -峰值為 V p-p=2V （可用示波器監(jiān)測(cè)：X 軸為 0.2ms/div 、 Y 軸 CH1 為1V/div 、 CH2 為 20mv/div ）。接接第第21一通二36通道示道5示4波器波器插座管腳編號(hào)圖 2-4雙線示波器與差動(dòng)變壓器連接示意圖93. 參考圖 2-4 接線，判別初次級(jí)線圈與次級(jí)線圈同名端方法如下：確定初級(jí)線圈，設(shè)兩次

18、級(jí)線圈的任意兩端為同名端，按圖 2-3 接成差動(dòng)輸出形式。初級(jí)線圈加上激磁電源（ Lv端音頻信號(hào)Vp-p=2V ），當(dāng)鐵芯上、下移動(dòng)時(shí)，觀察示波器中顯示的初級(jí)線圈波形和次級(jí)線圈波形。 當(dāng)次級(jí)兩線圈差動(dòng)輸出波形幅值變化較大，過零點(diǎn)且正負(fù)幅值基本相等，其相位與初級(jí)線圈波形比較恰好能保持同相和反相變化，說明已連接的次級(jí)兩線圈的同名端是正確的，否則改變連接再判斷直到正確為止。微分同圖 2-5 差動(dòng)變壓器測(cè)位移性能實(shí)驗(yàn)安裝接線圖4. 參考圖 2-5，松開測(cè)微頭的安裝緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭使示波器第二通道顯示的波形峰 -峰值 Vp-p 為較小值 (即使差動(dòng)變壓器鐵芯大約處在中間位置)，擰緊緊固螺釘。仔細(xì)調(diào)節(jié)

19、測(cè)微頭的微分筒使示波器第二通道顯示的波形Vp-p 為最小值 (零點(diǎn)殘余電壓)并定為位移的相對(duì)零點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)， 以位移相對(duì)零點(diǎn)為起點(diǎn)，向左或右移動(dòng)測(cè)微頭時(shí)請(qǐng)注意兩點(diǎn)： 測(cè)微頭只能按所定方向向前位移，中途不允許回調(diào)；否則，由于測(cè)微頭存在的機(jī)械回差可能引起位移誤差。 所以，實(shí)驗(yàn)時(shí)每一次的位移量須仔細(xì)調(diào)節(jié)，絕對(duì)不能調(diào)節(jié)過量；如過量則只好剔除這一點(diǎn)繼續(xù)做下一點(diǎn)實(shí)驗(yàn)或者回到零點(diǎn)重新做實(shí)驗(yàn)。當(dāng)一個(gè)方向行程實(shí)驗(yàn)結(jié)束，做另一方向時(shí)，測(cè)微頭回到 位移相對(duì)零點(diǎn)（ Vp-p 最小值）處 時(shí)它的位移讀數(shù) (與向的前位移讀數(shù) ) 有變化是正常的，只要中途測(cè)微頭不回調(diào)就不會(huì)引起位移誤差。5位移性能實(shí)驗(yàn)（ 1）測(cè)微頭調(diào)到位移

20、相對(duì)零點(diǎn)，旋動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，使測(cè)微頭向左移動(dòng)；每位移0.2mm( 可取 8 10 點(diǎn) )從示波器上讀出一個(gè)輸出電壓Vp-p 值，填入下表2-1 中。10表 2-1差動(dòng)變壓器鐵芯左移時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表測(cè)微頭左移 (mm)零點(diǎn) 0.20.40.60.81.01.21.41.61.8Vp-p 值 (mv)（ 2）測(cè)微頭調(diào)到位移相對(duì)零點(diǎn)，旋動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，使測(cè)微頭向右移動(dòng)；每位移0.2mm( 可取 8 10 點(diǎn) )從示波器上讀出一個(gè)輸出電壓Vp-p 值，填入下表2-2 中。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。表 2-2差動(dòng)變壓器鐵芯右移時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表測(cè)微頭右移 (mm)零點(diǎn) 0.20.40.60.81.01.21.41.

21、61.8Vp-p 值 (mv)6. 實(shí)驗(yàn)要求（ 1）根據(jù)表 2-1 、表 2-2 所測(cè)數(shù)據(jù)畫出 Vp-p X 曲線，指出線性工作范圍。（ 2）計(jì)算量程 X 為 1mm、 3mm時(shí) Vp-p/X 靈敏度 S( mv/ mm) 。（ 3）分析差動(dòng)變壓器中的磁芯位置由右向左移動(dòng)時(shí)，輸出電壓波形相位會(huì)怎樣的變化？（二）激勵(lì)頻率對(duì)差動(dòng)變壓器特性的影響1實(shí)驗(yàn)原理差動(dòng)變壓器輸出電壓的有效值可以近似用關(guān)系式：U O( M 2M 1 )U i 表示，式中 L1、R122 L12R1 為初級(jí)線圈電感和損耗電阻，Ui 、 為激勵(lì)電壓和頻率，M1、M2 為初級(jí)與兩次級(jí)間互感系數(shù)，由上式可見：當(dāng)初級(jí)線圈激勵(lì)頻率太低時(shí)，

22、若R122 L12 ，則有 U( M 2M 1 )U iR1即適當(dāng)增加激勵(lì)頻率 ，可提高輸出電壓的靈敏度。只有當(dāng)2 L12R12 時(shí)，輸出電壓Uo 與 無關(guān)，即高頻下輸出電壓的穩(wěn)定性較好；但過高的頻率會(huì)使線圈寄生電容增大，對(duì)性能不利。2. 實(shí)驗(yàn)步驟（ 1）保持差動(dòng)變壓器安裝和實(shí)驗(yàn)接線同圖2-2 和圖 2-4 所示。（ 2）從主控箱上音頻振蕩器的LV 端選擇 1KHz音頻信號(hào) （可用主控箱的數(shù)顯表頻率檔顯示頻率），移動(dòng)鐵芯至中間位置（即輸出電壓Vp-p 為最小時(shí)的位置） 。（ 3）旋動(dòng)測(cè)微頭，每間隔 0.2mm在示波器上讀取一個(gè) Vp-p 數(shù)據(jù)。（ 4）分別改變激勵(lì)頻率為 3KHz、5KHz、7

23、KHz、9KHz，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟（ 3）將測(cè)試結(jié)果記入表 2-2 。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。11表 2-2不同激勵(lì)頻率時(shí)輸出電壓Vp-p 與位移 X 的關(guān)系X （ mm）Vp-p0.20.40.60.81.01.21.4(mm)f(kHz)135793. 實(shí)驗(yàn)要求作出每一頻率下的Vp-p -X 曲線，并計(jì)算其靈敏度S，作出靈敏度與激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線。（三）差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓的補(bǔ)償差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓中主要包含兩種信號(hào)成分：基波分量和諧波分量。1零點(diǎn)殘余電壓的形成（ 1）基波分量：主要是由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組材料或工藝差異造成等效參數(shù)（ M 、L 、 R）不同，線圈中的銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵

24、損，線圈中線間電容的存在，都使得激勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通不相同。（ 2）諧波分量：主要是由導(dǎo)磁材料磁化曲線非線性引起，由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使激勵(lì)電流與磁通波形不一致，產(chǎn)生了非正弦波（主要是三次諧波）磁通，從而在二次繞組中感應(yīng)出非正弦波的電動(dòng)勢(shì)。2零點(diǎn)殘余電壓消除或減小的方法目前零點(diǎn)殘余電壓消除或減小的方法主要是從設(shè)計(jì)和工藝制作上盡量提高差動(dòng)變壓器的組成結(jié)構(gòu)及電磁特性的對(duì)稱性；引入相敏整流電路，對(duì)差動(dòng)變壓器輸出電壓進(jìn)行處理；采用外電路補(bǔ)償。3外電路補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)（ 1） 按圖 2-6 接線， 音頻信號(hào)源從 LV插口輸出，實(shí)驗(yàn)?zāi)K中 R1、 C1、 Rw1、 Rw2 為電橋單元中調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。IC

25、 為差分放大器，圖 2-6 差動(dòng)變壓器零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路接線圖12將差動(dòng)變壓器傳感器的雙端輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出。(2) 用示波器調(diào)整音頻振蕩器輸出為2V 峰 - 峰值(3)調(diào)整測(cè)微頭，使差動(dòng)放大器輸出電壓最小。(4)依次調(diào)整Rw1 、 Rw2 ，使輸出電壓降至最小。(5)將第二通道的靈敏度提高，觀察零點(diǎn)殘余電壓的波形，注意與激勵(lì)電壓比較。(6)從示波器上觀察，差動(dòng)變壓器的零點(diǎn)殘余電壓值Vp-p 。（注： 這時(shí)的零點(diǎn)殘余電壓是經(jīng)放大后的零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際零點(diǎn)殘余電壓應(yīng)為Vp-p / K , K 為差分放大器的放大倍數(shù)。 （實(shí)驗(yàn)?zāi)？熘械腒 5）。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。五、思考題1. 差動(dòng)變壓器與一般

26、電源變壓器有什么異同？2. 差動(dòng)變壓器測(cè)量頻率的上限受什么影響？3. 圖 2-7 是零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路接線圖之二，試分析其補(bǔ)償原理。圖 2-7 零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償電路接線圖之二13實(shí)驗(yàn)三熱電阻、熱電偶測(cè)溫特性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握熱電阻、熱電偶測(cè)溫原理和方法；2. 了解熱電阻、熱電偶測(cè)溫特性及應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 熱電阻測(cè)溫原理電阻溫度傳感器測(cè)溫原理都是利用金屬或半導(dǎo)體材料的電阻對(duì)溫度敏感的特性，常用于 200 500范圍內(nèi)溫度的測(cè)量和控制。 在低溫區(qū)， 采用電阻溫度傳感器測(cè)溫， 不但比熱電偶測(cè)溫簡(jiǎn)單，而且有較高的測(cè)量精度。電阻溫度傳感器用于測(cè)溫時(shí)，要求其體電阻率高、穩(wěn)定性好，電阻溫度系

27、數(shù)大、線性關(guān)系好。電阻溫度傳感器分金屬和半導(dǎo)體兩大類，分別簡(jiǎn)稱為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。目前常用的金屬熱電阻有銅熱電阻和鉑熱電阻，其分度號(hào)分別為Cu50、Cu100， Pt 10、 Pt 100。本實(shí)驗(yàn)采用Pt 100 鉑熱電阻，在0-850 以內(nèi)，電阻Rt 與溫度 t 的關(guān)系為：t02)R = R (1+At+BtR0 是溫度為0 時(shí)的鉑熱電阻的電阻值，A 和 B 是實(shí)驗(yàn)常數(shù)，本實(shí)驗(yàn)中R0=100；-3-1 ，-7-2。A=3.90802 10oC ， B=-5.080195 10oC2.熱電偶測(cè)溫原理當(dāng)兩種不同熱電特性的導(dǎo)體組成閉合回路時(shí)，如兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)

28、，這就是熱電效應(yīng)。溫度高的接點(diǎn)稱工作端（亦稱熱端），將其置于被測(cè)溫度場(chǎng)；溫度低的接點(diǎn)稱為自由端（也稱冷端），冷端可以是室溫值或經(jīng)補(bǔ)償后的0oC 或 25oC。三、需用器件及單元Pt 100 熱電阻（用于熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)）、E 型熱電偶（用于熱電偶測(cè)溫實(shí)驗(yàn)）、加熱源、溫度控制儀、 K 型熱電偶（用于監(jiān)測(cè)溫度控制儀上加熱源的溫度）、溫度傳感器、萬用表，熱電阻和熱電偶分度表見附錄一。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）熱電阻測(cè)溫1選用溫度控制儀，仔細(xì)閱讀附錄二溫度控制儀操作說明，將溫度控制儀上的220V電源插頭插入主控箱兩側(cè)配備的220V 控制電源插座上。142選擇內(nèi)控方式，將K 型熱電偶的測(cè)溫端（熱端）插入加熱

29、源頂端的一個(gè)插孔中，將其自由端（冷端）引線插入溫度控制儀正面的傳感器插孔中，紅線為正極。3用 Pt 100 鉑電阻代替圖 4-1 中熱電阻 Rt ，用萬用表歐姆檔測(cè)出 Pt 100 鉑電阻三根引線中短接的兩根線接 Rt 的 b 端，另一根線（紅線）接 Rt 的 a 端，于是 Pt 100 與 R1、R3、R4、Rw1、組成直流單臂測(cè)量電橋。 Rw1 中心活動(dòng)點(diǎn)與 R6 相接，如圖 4-1 所示。輸出端 b 和中心活動(dòng)點(diǎn)之間在室溫下輸出電壓為零，用萬用表測(cè)量。接主控箱電源輸出2V接V i 主控箱數(shù)顯地 表圖 4-1熱電阻測(cè)溫特性實(shí)驗(yàn)電路接線圖4在端點(diǎn)a 與地之間加直流源2V，調(diào) Rw1 使電橋平

30、衡，即橋路輸出端b 和中心活動(dòng)點(diǎn)之間在室溫下輸出電壓為零，用萬用表測(cè)量。5圖 4-1 實(shí)驗(yàn)電路接入15V 工作電源，將Vo2 與數(shù)顯電壓表相接，撥至2V 電壓顯示檔，調(diào) Rw3 使室溫下數(shù)顯電壓為零。6設(shè)定溫度值50oC，將 Pt 100 探頭插入插入加熱源的另一個(gè)插孔。，開啟加熱開關(guān)，待溫度控制在50oC 時(shí)記錄下數(shù)顯電壓表讀數(shù)值。重新設(shè)定溫度值為50oC+n t ，建議t=5 oC， n=110，每隔 1n 讀出一數(shù)顯表的電壓值，記錄入表4-1 中。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。表 4-1 P t 100 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)表t （oC）50Vo2（ mv）7根據(jù)表4-1 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算其非線性誤差。15（二）

31、熱電偶測(cè)溫1保持 （一）熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)步驟1 和 2 不變，取下圖4-1 中 Pt 100 鉑電阻2. 將 E 型熱電偶的測(cè)溫端（熱端）插入加熱源頂端的另一個(gè)插孔中，其自由端接入圖4-1 實(shí)驗(yàn)電路中標(biāo)有熱電偶符號(hào)的a、 b 孔上，熱電偶自由端連線中帶紅色套管或紅色斜線的一條為正端。3.將 R 、 R 端接地，重新接通實(shí)驗(yàn)電路電源15V，調(diào) Rw 使 V為零；將 V 與數(shù)顯電562o1o2壓表相接，調(diào)Rw3 使數(shù)顯電壓表顯示零位。設(shè)定溫控模塊儀表控制溫度值T=50oC。4.去掉 R 、 R 接地線，將 E 型熱電偶兩自由端a 和 b 分別與放大器R 、 R 相接，并把5656b 端與地相接。5.

32、 保持溫控儀指示的加熱溫度為50oC，記錄下 Vo2 的數(shù)顯電壓值；重新設(shè)定溫度值為50oC+nt ，建議t=5 oC， n=110，每隔1n 讀出數(shù)顯表輸出電壓與溫度值，并記入表 4-2 。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。表 4-2 熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)表t （oC）50Vo2（ mv）6根據(jù)表4-2 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算其非線性誤差。五、思考題1. 為什么低溫下熱電偶測(cè)溫比熱電阻測(cè)溫精度還低？2. 如何根據(jù)測(cè)溫范圍和精度要求選用熱電阻或熱電偶？3.能否用Pt100 設(shè)計(jì)一個(gè)直接顯示攝氏溫度-50oC-50oC 的數(shù)字式溫度計(jì)，并利用本實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？附錄（一）熱電阻和熱電偶分度表溫度 (oC)-5005010015

33、0200300400500600800120014001600測(cè)量元件熱E(mv)03.0476.3179.78713.41921.03328.94336.99945.08561.066電偶K(mv)02.0224.0956.1378.13712.0273.2614.2345.2377.34511.94714.36816.771熱Cu50()39.245060.771.482.13電阻Pt100()80.3100119.4138.5157.31175.84212.02247.04280.90313.59375.5716附錄（二）溫度控制儀操作說明一、面板說明1.PV （上窗口）測(cè)量值顯示窗（紅

34、）2.SV （下窗口）給定值顯示值（綠）3.A-M手動(dòng)指示燈（綠）4.ALM1AL1動(dòng)作時(shí)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的燈（紅）5.ALM2AL2動(dòng)作時(shí)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的燈（紅）6.OUT調(diào)節(jié)輸出指示燈（綠）7.SET功能鍵8.數(shù)據(jù)移位（兼手動(dòng) / 自動(dòng)切換）9.數(shù)據(jù)減少鍵10.數(shù)據(jù)增加鍵儀表上電后，上顯示窗口顯示測(cè)量值（PV），下顯示窗口顯示給定值（SV）。在基本狀態(tài)下， SV窗口能用交替顯示的字符來表示系統(tǒng)的某些狀態(tài)。按 SET鍵可以切換不同的顯示狀態(tài)： 按 SET鍵并保持約 2 秒鐘，即進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)。 在參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下按 SET鍵，儀表將依次顯示各參數(shù)。二、主要參數(shù)功能一覽表參數(shù)代號(hào)參數(shù)含義設(shè)置范圍出廠值A(chǔ)LM

35、1上限報(bào)警-1999- +9999100Hy -1正偏差報(bào)警0 - 999.9 或00- 9999Sn輸入規(guī)格0P- SL輸入下限顯示-1999- +99990P- SH輸入上限顯示-1999- +9999100OP-A輸出方式0 - 2outL輸出下限0- 110%0outH輸出上限0- 110%100AL- P報(bào)警輸出定義0- 304Cool系統(tǒng)功能選擇0- 15617實(shí)驗(yàn)四霍爾傳感器特性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握霍爾傳感器的工作原理；2了解直流激勵(lì)與交流激勵(lì)時(shí)霍爾式傳感器的應(yīng)用；3了解霍爾傳感器在轉(zhuǎn)速測(cè)量中的實(shí)際應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理霍爾傳感器的理論基礎(chǔ)是霍爾效應(yīng)，霍爾效應(yīng)是指在半導(dǎo)體薄片上垂直

36、施加磁場(chǎng)B，在薄片兩短邊b 方向通入控制電流I，則在薄片兩長(zhǎng)邊L 方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的這種現(xiàn)象。具有霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件。霍爾電壓UH =K HIB ，式中 K HR Hf HLd稱為霍b爾元件的靈敏度， RfL稱為霍爾元件H 霍爾常數(shù)， d 霍爾元件厚度；Hb形狀系數(shù)， L 霍爾元件長(zhǎng)度，b 霍爾元件寬度。三、需要器件及單元霍爾傳感器、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、直流穩(wěn)壓電源4V 和 15V 、數(shù)字電壓表、音頻信號(hào)源、螺旋測(cè)微儀、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)速顯示儀、示波器。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）直流激勵(lì)特性測(cè)試1將霍爾傳感器、引線電纜與測(cè)微頭按圖6-1 分別裝在霍爾傳感器

37、的實(shí)驗(yàn)?zāi)K上。圖6-1霍爾傳感器安裝示意圖182旋動(dòng)測(cè)微頭，將其調(diào)整到10mm 處，并與霍爾傳感器磁場(chǎng)連桿接觸（即吸合），前后移動(dòng)測(cè)微頭，使霍爾元件置于梯度磁場(chǎng)中間，并將此定為座標(biāo)軸“0”點(diǎn)，再將測(cè)微頭用螺絲固定。圖 6-2 霍爾傳感器直流激勵(lì)實(shí)驗(yàn)電路連接圖3按圖 6-2 連接霍爾傳感器直流激勵(lì)實(shí)驗(yàn)電路，差動(dòng)放大器增益旋鈕（RW3）打到中間位置，數(shù)字電壓表置2V 檔，直流激勵(lì)電源置4V 檔。4檢查電路無誤后，接通實(shí)驗(yàn)電路電源15V，調(diào)節(jié)電橋直流電位器RW1，使輸出為零。5從座標(biāo)軸 “ 0”點(diǎn)開始， 調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀，使霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中左右移動(dòng)各5 mm，每位移 0.5 mm 讀取相應(yīng)的電壓值

38、，并記入表6-1 中。6-1直流激勵(lì)位移- 電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表X （ mm）-0+V 0（ mv ）06.根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，作出V-X 曲線，求得靈敏度S, (SV /X ) 和線性工作范圍。如出現(xiàn)非線性情況，請(qǐng)查找原因。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。（二）交流激勵(lì)特性測(cè)試1. 保持直流激勵(lì)實(shí)驗(yàn)步驟“ 1和 2”不變。2. 調(diào)音頻振蕩器“ LV ”端口輸出頻率 2KH Z ，幅值 4Vp-p 信號(hào)（嚴(yán)格限定在 5V 以下，以免損壞霍爾元件）。3按圖 6-3 連接霍爾傳感器交流激勵(lì)實(shí)驗(yàn)電路，差動(dòng)放大器增益旋鈕（ RW3置最大（順時(shí)針到底），交流激勵(lì)電源接頻率2KH Z 、幅值 4Vp-p 信號(hào)。19圖6-3霍爾傳

39、感器交流激勵(lì)實(shí)驗(yàn)電路連接圖4. 檢查電路無誤后，接通實(shí)驗(yàn)電路電源 15V，調(diào)整電位器 RW1和 RW2，使系統(tǒng)輸出電壓為 0（或?yàn)樽钚。?.從座標(biāo)軸“ 0”點(diǎn)開始，旋動(dòng)測(cè)微頭，給傳感器產(chǎn)生一個(gè)大位移5mm，仔細(xì)調(diào)節(jié)移相器和相敏檢波器的旋鈕，使示波器顯示的波形為一個(gè)接近全波整流波形。然后，再旋動(dòng)測(cè)微頭使之回到座標(biāo)軸“0”點(diǎn)，整流波形消失，變?yōu)橐粭l接近零點(diǎn)線（否則再調(diào)節(jié)RW1和RW2），使系統(tǒng)輸出電壓為0。6.從座標(biāo)軸“ 0”點(diǎn)開始，旋動(dòng)測(cè)微頭左右分別移動(dòng)5mm，每移動(dòng) 0.5mm 記錄相應(yīng)的電壓值，填入表6- 2 中：表 6-2交流激勵(lì)位移- 電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表X （ mm）-0+V 0（ mv

40、）07. 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，作出V-X 曲線，求得靈敏度S,(S= V/ X) 和線性工作范圍。并與直流激勵(lì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。（三）霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量1. 霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量原理是基于霍爾效應(yīng)表達(dá)式UH KHIB ，當(dāng)作用于霍爾元件上的控制電流 I 一定時(shí)，霍爾元件輸出電壓UH與磁場(chǎng) B成正比。圖 6-4 是霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量安裝示意圖，將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器裝于轉(zhuǎn)動(dòng)源模塊的支架上，霍爾傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)源電機(jī)轉(zhuǎn)速圓盤上的磁鋼。被測(cè)轉(zhuǎn)速圓盤上裝有N對(duì)磁鋼，圓盤每轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)就變化N次，即有 N個(gè)磁脈沖作用在霍爾元件上，相應(yīng)地使霍爾元件輸出N個(gè)電脈沖；此電脈沖經(jīng)過放大、整形和計(jì)數(shù)電路變成計(jì)數(shù)脈沖，每分鐘測(cè)得的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)正比與被測(cè)旋轉(zhuǎn)體電機(jī)的