测试技术与信号处理实验报告

目录

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

差动变压器的性能实验

直流全桥的应用——电子秤实验

交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

电容式传感器的位移实验

磁电式转速传感器测速实验

金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

• 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。

• 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，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减少，且与轴向应变成正比，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，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压

U01=EKε/4。

• 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、直流电压表、±15V电源、

±4V电源、万用表(自备)。

• 实验步骤

1、根据图(1-1)应变式传感器的插头插入应变传感器模块（Ti）上。传感器中各应变片就接入了模板的左上方的 R1、R2、R3、R4。加热丝贴在应变传感器上，用时插入+5V直流电源，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。

 

应变式传感安装示意图

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，Vo1与  Vi2连接，输出端  Vo2与主控台面板上直流电压表输入端+相连，调节实验模板上调零电位器  RW4，使直流电压表显示为零(直流电压表的切换开关打到 2V档)。关闭主控台电源。

3、将应变式传感器连接线接入模块 Ti，其中一个应变片  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模块内已连接好)，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，使直流电压表显示为零。

     

 

应变式传感器单臂电桥实验接线图

重量(g)	0	20	40	60	80	100	120	140	160
电压（MV）	0.2	1.8	3.6	5.8	7.9	10	12.1	14.1	16.1

1. 在电子称上放置一只砝码，读取直流电压表数值，依次增加砝码和读取相应的直流电压表值，直到 200g砝码加完。记下实验结果填入表  1-1，关闭电源。

1. 根据表 1-1计算系统灵敏度  S：S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)；计算非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出电压值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差；yF·S满量程输出平均值。

 

拟合曲线图像

得到的拟合曲线方程为：Y=0.1X+0.2

灵敏度：S=Δu/ΔW=0.14

非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%=1.6%

五、思考题

单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用： 邻边位置

金属箔式应变片——半桥性能实验

• 实验目的

比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

• 基本原理

不同受力方向的两片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。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压 U02=EK/ε2。

• 需用器件与单元

同实验一。

• 实验步骤

1、传感器安装同实验一。做实验(一)2的步骤，实验模板差动放大器调零。

2、根据图 2-1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  2-1，计算灵敏度 S=ΔU/ΔW，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。

 

应变片传感器半桥实验接线图

重量(g)	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
电压(mv)	1.8	3.8	5.8	7.9	10	12.1	14.1	16.1	17.9	20.1

半桥测量时，输出电压与负载重量的关系

3.根据表 2-1计算系统灵敏度  S：S=Δu/ΔW(Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量)；计算非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出电压值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差；yF·S满量程输出平均值。

 

拟合曲线图像

得到的拟合曲线方程为：Y=0.17X+0.23

灵敏度：S=Δu/ΔW=0.179

非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%=0.95%

五、思考题

1、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片在接入电桥时，应放在：(1)对边？(2)邻边的位置？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误差？(2)应变片应变效应是非线性的？(3)调零值不是真正为零？

电桥测量存在非线性误差。

金属箔式应变片——全桥性能实验

• 实验目的

了解全桥测量电路的优点。

• 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，不同的接入邻边，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进一步改善。

• 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 3-1接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表   3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。

 

                                   全桥性能实验接线图

表 全桥输出电压与负载重量的关系

重量(g)	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180
电压(mv)	0.1	5.4	11.8	17.9	23.7	30.6	35.9	42.1	47.6	54.0

 

拟合曲线图

得到的拟合曲线方程为：Y=0.3X-0.19

灵敏度：S=Δu/ΔW=0.3

非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%=1.11%

五、思考题

 

 

差动变压器的性能实验

• 实验目的

了解差动变压器的工作原理和特性。

• 基本原理

差动变压器由一只初级线圈和二只次级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。

• 需用器件与单元

差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器，音频信号源(音频振荡器)、直流电源、直流电压表。

• 实验步骤

根据下图，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。

 

差动变压器电容传感器安装示意图

在模块上按图接线，音频振荡器信号必须从主控台中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为 4～5KHz(可用主控台的内测音频来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值  Vp-p=2V(可用示波器监测：X轴为  0.2ms/div、Y轴   CH1为  1V/div)。判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：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，按图 10-2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，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位与初级圈波形(Lv音频信号  Vp-p=2V波形)比较能同相和反相变化，说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的。图中(1)、(2)、(3)、(4)为模块中的实验插孔。

 

双线示波器与差动变压器连结示意图

旋动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰一峰值 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，则另一方向位移为负。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(10-1)。再从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。

差动变压器位移ΔX值与输出电压Vp-p数据表：

X(mm)/100	-350	-300	-250	-200	-150	-100	-50	0mm
V(mv)	740	721	707	689	679	669	656	640
X(mm)/100	50	100	150	200	250	300	350	......
V(mv)	648	656	672	688	712	738	749	......

在模块上按图10-2接线，音频振荡器信号必须从主控台中的  Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为4～5KHz(可用主控台的内测音频来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值  Vp-p=2V(可用示波器监测：X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div)。判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：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，按图 10-2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，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位在模块上按图 10-2接线，音频振荡器信号必须从主控台中的Lv端子输出，调节音频振荡器的频率，输出频率为 4～5KHz(可用主控台的内测音频来监测)。调节幅度使输出幅度为峰一峰值Vp-p=2V(可用示波器监测：X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div)。判别初次级线圈及次级线圈同名端方法如下：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，按图 10-2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，当次级波形输出幅值变化很大，基本上能过零点，而且相位。

 

拟合曲线

计算S=-155.3mv/mm,0.25%；S=-158.3mv/mm,0.55%；

• 思考题

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？

答:可以,受铁磁材料磁感应频率响应上限影响。

试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？

答:差动变压器一般用于作为检测元件，而一般变压器作为电源变换部件或者信号转换部件;差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及铁心组成，当传感器随着被测物体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变.换，使次级线圈产生感应电势的变化，而两只次级线圈是同名端相连，就引出差动输出，其输出电势反映出来的就是被测体的位移量。而一般电源变压器就是把连个线圈套在同一个铁心上构成的。

直流全桥的应用——电子秤实验

• 实验目的

了解应变片直流全桥的应用电路的标定。

• 基本原理

电子秤实验原理为实验三的全桥测量原理，通过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值，将电压量纲(V)改为重量量纲(g)即成为一台原始电子秤。

• 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、±15V电源、±4V电源。

• 实验步骤

按实验一中 2的步骤将差动放大器调零：按图3-1全桥接线，合上主控台电源开关调节电桥平衡电位器 Rw1，使直流电压表显示 0.00V。

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)，使直流电压表显示为 0.200V(2V档测量)或-0.200V。

 

实验接线图

拿去托盘上的所有砝码，调节电器 Rw4（零位调节），使直流电压表显示为 0.000V或-0.000V。

重复 2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲 V改为重量量纲g，就可秤重，成为一台原始的电子秤。

把砝码依次放在托盘上，数据记录如下：

重量（g）	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
电压（V)	0.018	0.038	0.058	0.075	0.093	0.113	0.128	0.148	0.169	0.188

 

拟合曲线

由最小二乘法计算得到：y=0.00107x+0.00091

误差a=0.0416%

可见本实验线性度高，传感效果良好。

• 思考题

分析什么因素会导致电子秤的非线性误差增大，怎么消除，若要增加输出灵敏度，应采取哪些措施。

答:环境因素和实验器材的校正不准会导致非线性误差增大。通过多次校正，调节变位器可消除或减少误差。若要增加输出灵敏度可增加相形放大电路。

交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验

• 实验目的

了解交流激励时霍尔片的特性。

• 基本原理

交流激励时霍尔元件与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。

• 需用器件与单元

霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、直流源±4V、±15Ｖ、测微头、直流电压表，相敏检波、移相、滤波模板、双线示波器。

• 实验步骤

传感器安装同实验十六，实验模板上连线见图 17-1。平衡网络 C1、R1与霍尔传感器输出端之间的连线可暂时不接。

 

接线图

调节音频振荡器频率和幅度旋扭，从 LV输出端用示波器测量，使输出为 1KHZ、峰－峰值为 4V，接入电路中（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）。

移动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，接入平衡网络 C1、R1与霍尔传感器输出端之间的连线，调节电位器  RW1、RW2使示波器显示更小。

调节测微头使霍尔传感器产生一个较大位移，用示波器观察相敏检波器输出波形，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，且直流电压表显示相对值（电压表置 2V档）。

调节测微头使霍尔传感器回到磁钢中点，微调 RW1、RW2与移相/相敏检波器中的 RW，示为零，然后旋动测微头记下每转动 0.2mm或 0.5mm时电压表读数。记录如下：

X(mm)	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2
V(mv)	-727	-640	-550	-488	-412	-322	-250	-173	-99	-22
X(mm)	2.2	2.4	2.6	2.8	3	3.2	3.4	3.6	3.8	4
V(mv)	55	130	210	289	377	452	544	610	688	755

 

拟合曲线

• 思考题

列举一些霍尔传感器的应用例子。

解:位移测量﹐简易磁场强度计﹐用做开关。

结合以上实验，说明直流激励和交流激励时霍尔传感器进行位移测量的特点，并比较直流激励和交流激励时霍尔传感器的灵敏度和非线性误差。

解:直流激励和交流激励时霍尔式传感器进行测量时，磁场梯度越大，灵敏度越高。磁场梯度越均匀，输出的线性度越好。

电容式传感器的位移实验

• 实验目的

了解电容式传感器结构及其特点。

• 基本原理

 

• 需要器件与单元

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、直流电

压表、直流稳压源。

• 实验步骤

1、按图 10-1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上。

2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图 14-1。

 

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 V01与直流电压表相接，Rw调节到中间位置。

4、接入±15V电源，将测微头旋至  10mm处，活动杆与传感器相吸合，调整测微头的左右位置，使电压表显示最小，并将测量支架顶部的螺钉拧紧，旋转测微头，每间隔 0.2mm记下位移  X与输出电压值，填入表 14-1。将测微头回到 10mm处，反向旋动测微头，重复实验内容。

旋动测微头推进电容传感器动极板位置

X(mm)	8.8	9.0	9.2	9.4	9.6	9.8	10mm	10.2	10.4	10.6	10.8	11.0	11.2
V(mv)	-8.0	-7.5	-5.4	-3.9	-1.9	-0.7	0.01	2.3	3.3	5.1	6.6	7.9	8.9

1. 根据表 14-1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。

拟合曲线为

 

X(mm)	8.8	9.0	9.2	9.4	9.6	9.8	10mm	10.2	10.4	10.6	10.8	11.0	11.2
V(mv)	-8.0	-7.5	-5.4	-3.9	-1.9	-0.7	0.01	2.3	3.3	5.1	6.6	7.9	8.9
V(mv)拟合	-8.276	-6.81	-5.344	-3.878	-2.412	-0.946	0.52	1.986	3.452	4.918	6.384	7.85	9.316
detV	-0.276	0.69	0.056	0.022	-0.512	-0.246	0.51	-0.314	0.152	-0.182	-0.216	-0.05	0.416

 

• 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？

原理:由于谷物湿度变化，导致介电常数:变化，导致传感器输出变化。结构:在极板大小不变、间距不变的电容传感器两极片中放入并固定谷物。

考虑因素:电容传感器对环境变化特别敏感,当谷物湿度发生变化时，空气有可能发生湿度变化,甚至在探头表面形成凝结水,改变探头到被测谷物的距离。

答:相同点:结构与铁芯、骨架和前副线圈相同，工作原理均为电磁感应定律，线圈互感器被转换为电压输出。

不同点:

（1）磁路不同。普通变压器磁路中的铁芯要形成封闭回路，分别与原来的二次线圈耦合;差动变压器磁路是不在铁芯形成闭合回路，但铁芯与二次线圈的间隙形成一个封闭回路,分别与原、副边环耦合。

（2）互感系数不同。普通变压器互感系数为常数，二次侧线圈的差动变压器的互感系数和互感系数是可变的，并随铁芯位置的变化而变化。

（3）副边线圈不同。普通变压器的二次侧线圈具有一个或多个彼此独立的，差动变压器的二次侧绕组只有2个，并且彼此相对。

磁电式转速传感器测速实验

• 实验目的

了解霍尔转速传感器的应用。

• 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，霍尔电势相应变化 N次，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。

• 需要器件与单元

霍尔转速传感器、直流源＋5V、转速调节 2－24V、转动源单元、转速表。

• 实验步骤

1. 根据图 20-1，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。

 

霍尔、光电、磁电转速传感器安装示意图

2、将 5Ｖ直流源加于霍尔元件电源输入端。红（＋）黑（⊥）绿（F０）

3、将霍尔转速传感器输出端（绿）插入频率表输入端。

4、将转速调节中的 2V-24V转速电源引入到台面上转动源插孔。

5、将等精度频率表直键开关拨到转速档，此时频率表指示转速。

6、调节转速调节电压使转动速度变化。观察频率表转速显示的变化。

 

实物图

 

实物图

• 思考题

1．利用霍尔元件测转速，在测量上有否限制?

答:有限制。利用霍尔元件测转速过程中，当磁感应强度发生变化时霍尔元件输出一个脉冲。如果转速过慢，磁感应强度发生变化的周期过长，大于读取脉冲信号的电路的工作周期，就会导致计数错误。

2．本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢?

答:可以。本实验中的霍尔元件是单级的，可以用一只磁钢。但用一只磁钢可靠性和精度要差于6只磁钢。

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