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工程测试技术实验报告册姓 名： 班 级： 学 号： 任课老师： 实验一 应变片及电桥电路实验一、实验目的1.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。2.比较单臂电桥、半桥与全桥的不同性能，了解其特点。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： RRK式中RR为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,=l/l为电阻丝长度相对变化。通过金属箔式应变片转换可被测部位受力状态变化，电桥的作用就是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。单臂电桥输出电压 ：UO1= EK/4邻臂半桥输出电压 ：UO2= EK/2全桥输出电压：UO3= EK三、实验仪器应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、15V电源、4V电源、万用表。四、实验步骤1应变式传感器已装于应变传感器模板上。2接入模板电源15V，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。3将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1接入电桥作为一个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥，接好电桥调零电位器RW1，接上桥路电源4V，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12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（20g），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砝码加完。记下实验结果填入表1-1，关闭电源。5. 根据表1-1计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yF.S 100式中m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。6. 根据图1-3接线。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S2UW，非线性误差f2。图1-3应变式传感器半桥实验接线图7. 根据图1-4接线，R1、R2、R3、R4为实验模板上的应变片，接成全桥方式。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器RW1进行桥路调零，重复实验步骤4、5，将实验数据记入表1-3，并根据表1-3计算系统灵敏度S和线性误差f3。1-4 全桥性能实验接线图五、数据处理1.单臂电桥实验表1-1 单臂电桥测量时，输出电压与负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）36811141821232629系统灵敏度： 由表1-1绘制传感器特性曲线：特性曲线05101520253035020406080100120140160180200220W/gU/mv实际特性曲线参考直线由上图可知m=2mv线性化误差： 2.半桥实验表1-2 半桥测量时，输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）6111723293641465359系统灵敏度： 由表1-2数据绘制传感器特性曲线如下图：特性曲线010203040506070020406080100120140160180200220W/gU/mv实际特性曲线参考直线由上图可知m=1.5mv线性化误差： 3.全桥实验表1-3全桥输出电压与加负载重量值重量（g）20406080100120140160180200电压（mv）11233852668195108122138系统灵敏度： 由表1-3绘制传感器特性曲线：特性曲线020406080100120140160020406080100120140160180200220W/gU/mv实际特性曲线参考直线由上图可知m=1mv线性化误差： 六、结论实验所得单臂、半桥和全桥的灵敏度基本满足理论关系：4单=2半=全（0.15，0.298，0.712）非线性度基本满足理论关系：单臂半桥全桥（1%，0.75%，0.5%）理论：当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4 E R，电桥灵敏度，于是对应于单臂、半桥、全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。实验二 差动变压器实验一、实验目的1了解差动变压器的工作原理和工作情况。2了解差动变压器零点残余电压补偿方法。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、实验仪器音频振荡器、测微头、差动变压器、差动变压器实验模板、示波器、差动放大器模板、移相器/相敏检波器/滤波模板、数显单元、低频振荡器、直流稳压电源。四、实验步骤1. 根据图2-1，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。2. 模块上按图2-2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调节输出幅度为峰峰值。图2-2双踪示波器与差动变压器连结示意图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（记住此时旋动测微头的读数），这时可以旋转测微头使铁芯左右移动，并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，填入表3-1，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。表2-1 差动变压器位移X值与输出电压数据表X(mm)-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2-0+0.20.40.60.81.0V(mv)104806441244Vp-p最小4244064801044. 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。根据实验表2-1画出Vp-p-X曲线，计算量程为1mm灵敏度和非线性误差。5. 按图2-3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。6. 利用示波器调整音频振荡器输出为2V峰-峰值。7. 调整测微头，使差动放大器输出电压最小。8. 依次调整RW1、RW2，使输出电压降至最小。图2-3零点残余电压补偿电路9. 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。10. 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-pK，K为放大倍数）五、数据处理表2-1 差动变压器位移X值与输出电压数据表X(mm)-1.0-0.8-0.6-0.4-0.2-0+0.20.40.60.81.0V(mv)104806441244Vp-p最小424406480104量程为1mv时灵敏度： 量程为-1mv时灵敏度： 由表2-1得：由图可知量程为1mv时m=4mv线性化误差： 量程为-1mv时m=4mv线性化误差： 测量的V零点p-p=8mV零点残余电压=V零点p-p/K 六、结论差动变压器中，如果没有误差，在绝对调零跟峰峰值为零的情况下，电压与位移的值在正负两个方向应该是对称相等的，Vp-pX曲线呈抛物线形状。实验三 电涡流传感器一、实验目的1. 了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。2. 了解电容式传感器结构及其特点。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。涡流效应与金属导体本身的电阻率与磁导率有关，因此不同材料就会有不同的性能。电涡流传感器在实际应用中，由于被测物体的形状、大小不同，会导致被测物体上的涡流效应不同。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、铝圆片、铜圆片。四、实验步骤1. 根据图3-1安装电涡流传感器。2. 观察传感器结构。3. 按图3-2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（传感器屏蔽层接地）。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3-1。图3-2电涡流传感器位移实验接线图8. 根据表3-1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，计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度。9. 将原铁圆片换成铝和铜圆片，重复上述实验，并将数据记入表3-2和表3-3。10. 根据表3-2和表3-3计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度。11在测微头上分别用两种不同大小形状的铝材料（小圆盘和小圆柱体）进行上述实验，结果记入表3-4中。12根据表3-4计算两种不同形状被测体的灵敏度。五、数据处理（1）电涡流传感器位移实验（铁片）表3-1 电涡流传感器位移X与输出电压数据（铁片）X（mm）00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4V(v）00.530.861.131.361.561.761.942.112.272.412.562.68X（mm）2.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0V(v)2.802.923.023.123.203.293.373.443.513.573.623.683.73根据表3-1数据，得V-X曲线V-X（铁片）00.511.522.533.5400.511.522.533.544.555.5V-X（铁片）量程为1mm时，Lm=0.3mv系统灵敏度：系统非线性误差：量程为3mm时，Lm=0.5mv系统灵敏度： 系统非线性误差：量程为5mm时，Lm=1.0mv系统灵敏度： 系统非线性误差：（2）电涡流传感器位移实验（铝片）表3-2 电涡流传感器位移X与输出电压数据（铝片）X（mm）00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4V(v）2.112.332.552.762.933.093.223.343.453.553.633.713.77X（mm）2.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0V(v)3.833.893.943.984.024.064.094.124.144.174.194.214.22根据表3-2数据，得V-X曲线V-X（铝片）00.511.522.533.544.50123456V-X（铝片）量程为1mm时，Lm=0.1mv系统灵敏度：系统非线性误差：量程为3mm时，Lm=0.4mv系统灵敏度： 系统非线性误差：量程为5mm时，Lm=0.7mv系统灵敏度： 系统非线性误差：（3）电涡流传感器位移实验（铜片）表3-3 电涡流传感器位移X与输出电压数据（铜片）X（mm）00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4V(v）2.122.362.562.762.923.073.203.323.433.513.603.673.74X（mm）2.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0V(v)3.803.853.903.943.984.014.044.074.104.124.144.164.18根据表3-3数据，得V-X曲线V-X（铜片）00.511.522.533.544.50123456V-X（铜片）量程为1mm时，Lm=0.1mv系统灵敏度：系统非线性误差：量程为3mm时，Lm=0.3mv系统灵敏度： 系统非线性误差：量程为5mm时，Lm=0.8mv系统灵敏度： 系统非线性误差：（4）电涡流传感器位移实验（不同的铝片）表3-4 电涡流传感器位移X与输出电压数据（不同铝片）X（mm）00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4V1(v）2.112.332.552.762.933.093.223.343.453.553.633.713.77V2(v)3.383.643.854.054.214.354.484.594.704.784.864.934.98X（mm）2.62.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0V1(v)3.833.893.943.984.024.064.094.124.144.174.194.214.22V2(v)5.045.085.125.155.185.205.235.255.275.295.315.325.33根据表3-4数据，得V-X曲线01234560246V-X（小圆盘铝片）V-X（小圆柱体铝片）小圆柱体铝片：量程为1mm时系统灵敏度：量程为3mm时系统灵敏度： 量程为5mm时系统灵敏度： 小圆盘型铝片的系统灵敏度：S1=0.99mv/mm，S3=0.58mv/mm，S5=0.346mv/mm六、结论电涡流传感器在距离较小时线性度较差，只有在距离大到一定程度时，传感器才有较好的线性度。实验四 悬臂梁动态特性测试一、 实验目的了解压电传感器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陶瓷片等组成。压电式传感器工作时，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压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷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/低通滤波模板、压电式传感器实验模板，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4-1压电式传感器性能实验接线图3按图4-1，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，将压电传感器实验模板电路输出端Vo1（接入低通滤波器输入端Vi，如果Vo1不够大，则将Vo1的输出接入IC2，VO2接低通滤波器）。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，用两个通道同时观察低通滤波器输入段与输出端的波形。6先大致确定系统的共振频率，以此频率为中心，增大和减小激振频率，记录输出的VP-P,填入表4-1。7根据表4-1，作出f-V曲线，找到其共振频率。8固定低频振荡器的频率，改变低频振荡器的幅值，记录输出的VP-P，填入表4-2。9根据表4-2，作出幅值-V曲线。五、数据处理表4-1 振动频率与输出电压数据f(Hz)101214151617182022VP-P(mv)1.11.53.04.68.86.45.63.63.0由表4-1，作出f-V曲线如下：f-V024681091011121314151617181920212223V(mv)f(Hz)f-V由f-V曲线可得系统共振频率f0=16Hz表4-2 振动幅值与输出电压数据V(v)123456789VP-P(mv)1.32.64.05.46.47.27.98.48.6由表4-2，作幅值-V曲线：幅值-V02468100246810V（v）幅值（mv）幅值-V六、结论悬臂梁动态特性测试中所得f-V曲线基本符合关于共振频率两边对称的理论曲线。压电式加速度传感器的原理是某些晶体（如人工极化陶瓷、压电石英晶体等）在一定方向的外力作用下或承受变形时，它的晶体面或极化面上将有电荷产生，这种从机械能（力，变形）到电能（电荷，电场）的变换称为正压电效应。而从电能（电场，电压）到机械能（变形，力）的变换称为逆压电效应。利用晶体的压电效应，可以制成测力传感器，在振动测量中，由于压电晶体所受的力是惯性质量块的牵连惯性力，所产生的电荷数与加速度大小成正比。