1、實驗一 應變片單臂、半橋、全橋特性比較一、實驗目的：了解電阻應變片的工作原理與應用并掌握應變片測量電路。二、基本原理：電阻應變式傳感器是在彈性元件上通過特定工藝粘貼電阻應變片來組成，一種利用電阻材料的應變效應將工程結構件的內部變形轉換為電阻變化的傳感器，此類傳感器主要是通過一定的機械裝置將被測量轉化成彈性元件的變形，然后由電阻應變片將變形轉換成電阻的變化，再通過測量電路將電阻的變化轉換成電壓或電流變化信號輸出。可用于能轉化成變形的各種非電物理量的檢測，如力、壓力、加速度、力矩、重量等，在機械加工、計量、建筑測量等行業應用十分廣泛。三、需用器件與單元：機頭中的應變梁的應變片、測微頭；顯示面板中的

2、F/V表(或電壓表)、±2V±10V步進可調直流穩壓電源；調理電路面板中傳感器輸出單元中的箔式應變片、調理電路單元中的電橋、差動放大器； 4位數顯萬用表（自備）。五、實驗步驟：1、 在應變梁自然狀態（不受力）的情況下，用4位數顯萬用表2k電阻檔測量所有應變片阻值；在應變梁受力狀態（用手壓、提梁的自由端）的情況下，測應變片阻值，觀察一下應變片阻值變化情況(標有上下箭頭的4片應變片縱向受力阻值有變化；標有左右箭頭的2片應變片 橫向不受力阻值無變化，是溫度補償片)。如下圖17所示。圖17觀察應變片阻值變化情況示意圖2、 差動放大器調零點：按下圖18示意接線。將FV表(或電壓表)的

3、量程切換開關切換到2V檔，合上主、副電源開關，將差動放大器的增益電位器按順時針方向輕輕轉到底后再逆向回轉一點點(放大器的增益為最大，回轉一點點的目的：電位器觸點在根部估計會接觸不良)，調節差動放大器的調零電位器，使電壓表顯示電壓為零。差動放大器的零點調節完成，關閉主電源。圖18 差放調零接線圖3、應變片單臂電橋特性實驗：將±2V±10V步進可調直流穩壓電源切換到4V檔，將主板上傳感器輸出單元中的箔式應變片(標有上下箭頭的4片應變片中任意一片為工作片)與電橋單元中R1、R2、R3組成電橋電路，電橋的一對角接±4V直流電源，另一對角作為電橋的輸出接差動放大器的二輸入端

4、，將W1電位器、r電阻直流調節平衡網絡接入電橋中(W1電位器二固定端接電橋的±4V電源端、W1的活動端r電阻接電橋的輸出端)，如圖19示意接線(粗細曲線為連接線)。圖19 應變片單臂電橋特性實驗原理圖與接線示意圖檢查接線無誤后合上主電源開關，當機頭上應變梁自由端的測微頭離開自由端（梁處于自然狀態，圖17機頭所示）時調節電橋的直流調節平衡網絡W1電位器，使電壓表顯示為0或接近0。 在測微頭吸合梁的自由端前調節測微頭的微分筒，使測微頭的讀數為10mm左右（測微頭微分筒的0刻度線與測微頭軸套的10mm刻度線對準）；再松開測微頭支架軸套的緊固螺釘，調節測微頭支架高度使梁吸合后進一步調節支架高

5、度，同時觀察電壓表顯示絕對值盡量為最小時固定測微頭支架高度（擰緊緊固螺釘，圖19機頭所示）。仔細微調測微頭的微分筒使電壓表顯示值為0（梁不受力處于自然狀態），這時的測微頭刻度線位置作為梁位移的相對0位位移點。首先確定某個方向位移，以后每調節測微頭的微分筒一周產生0.5mm位移，根據表1位移數據依次增加0.5mm并讀取相應的電壓值填入表1中；然后反方向調節測微頭的微分筒使電壓表顯示0V（這時測微頭微分筒的刻度線不在原來的0位位移點位置上，是由于測微頭存在機械回程差，以電壓表的0V為標準作為0位位移點并取固定的相對位移X消除了機械回程差），再根據表1位移數據依次反方向增加0.5mm并讀取相應的電壓

6、值填入表1中。注：調節測微頭要仔細，微分筒每轉一周X=0.5mm；如調節過量再回調，則產生回程差。 表1 應變片單臂電橋特性實驗數據：位移(mm)-8.0-1.0-0.50+0.5+1.0+8.0電壓(mV)根據表1數據畫出實驗曲線并計算靈敏度SV/X（V輸出電壓變化量，X位移變化量）和非線性誤差(用最小二乘法)，=m/yFS ×100式中m為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差：yFS滿量程輸出平均值，此處為相對總位移量。實驗完畢，關閉電源。六、應變片全橋特性實驗步驟：除實驗接線按圖110示意接線，四片應變片組成電橋電路外，實驗步驟和實驗數據處理方法與單臂電橋特性實驗完

7、全相同。實驗完畢，關閉電源。圖110 應變片全橋特性實驗原理圖與接線示意圖七、思考題：1、R轉換成V輸出用什么方法?答：可以利用橋式電路來轉換2、根據圖4機頭中應變梁結構，梁的自由端往下施力時上、下梁片中應變片的應變方向(是拉?還是壓?)。答：上梁中的應變片的應變方向是拉，下梁的則是壓3、還可以用什么方法消除測微頭的機械回程差？提示：實驗步驟中不設0位位移點，直接從位移最大處單方向調節測微頭。4、應變片組成全橋橋時應注意什么問題?實驗二 差動變壓器測位移實驗一、實驗目的：了解差動變壓器測位移時的應用方法二、基本原理：差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。差動變壓器的結構如圖21所示，由一個

8、一次繞組1和二個二次繞組2、3及一個銜鐵4組成。差動變壓器一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化。由于把二個二次繞組反向串接（同名端相接），以差動電勢輸出，所以把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。當差動變壓器工作在理想情況下（忽略渦流損耗、磁滯損耗和分布電容等影響），它的等效電路如圖22所示。圖中U1為一次繞組激勵電壓；M1、M2分別為一次繞組與兩個二次繞組間的互感：L1、R1分別為一次繞組的電感和有效電阻；L21、L22分別為兩個二次繞組的電感；R21、R22分別為兩個二次繞組的有效電阻。對于差動變壓器，當銜鐵處于中間位置時，圖2

9、1差動變壓器的結構示意圖 圖22差動變壓器的等效電路圖兩個二次繞組互感相同，因而由一次側激勵引起的感應電動勢相同。由于兩個二次繞組反向串接，所以差動輸出電動勢為零。當銜鐵移向二次繞組L21，這時互感M1大，M2小，因而二次繞組L21內感應電動勢大于二次繞組L22內感應電動勢，這時差動輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。同樣道理，當銜鐵向二次繞組L22一邊移動差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。由圖22可以看出一次繞組的電流為：二次繞組的感應動勢為： 

10、由于二次繞組反向串接，所以輸出總電動勢為：其有效值為：差動變壓器的輸出特性曲線如圖23所示.圖中E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢，E2為差動輸出電動勢，x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實際的輸出特性。Eo為零點殘余電動勢，這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所造成的。零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。為了減小零點殘余電動勢可采取以下方法：圖23  差動變壓器輸出特性1、盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數及磁路的對稱。磁

11、性材料要經過處理，消除內部的殘余應力，使其性能均勻穩定。2、選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向又可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。 3、采用補償線路減小零點殘余電動勢。圖124是其中典型的幾種減小零點殘余電動勢的補償電路。在差動變壓器的線圈中串、并適當數值的電阻電容元件，當調整W1、W2時，可使零點殘余電動勢減小。(a) (b) (c)圖24  減小零點殘余電動勢電路差動變壓器在應用時要想法消除零點殘余電動勢和死區，選用合適的測量電路，如采用相敏檢波電路，既可判別銜鐵移動（位移）方向又可改善輸出特性，消除測量范圍內的死區。圖25是差動變壓器測位移原理框圖。

12、圖25差動變壓器測位移原理框圖 三、需用器件與單元：機頭中的振動臺、測微頭、差動變壓器；顯示面板中的FV表（或電壓表）、音頻振蕩器；調理電路面板傳感器輸出單元中的電感、調理電路面板中的電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器；雙蹤示波器。四、實驗步驟：1、按圖26示意接線。圖26差動變壓器測位移組成、接線示意圖2、將音頻振蕩器幅度調節到最小（幅度旋鈕逆時針輕轉到底）；電壓表（FV表）的量程切換開關切到2V檔。檢查接線無誤后合上主、副電源開關。調節音頻振蕩器（用示波器監測），頻率f=5KHz，幅值Vp-p=2V。3、調整差動放大器增益：差動放大器增益旋鈕順時針緩慢轉到底，再逆時針回轉1/

13、2。4、調節測微頭到15mm處，使差動變壓器銜鐵明顯偏離位移中點位置后，調節移相器的移相旋鈕使相敏檢波器輸出為全波整流波形（示波器監測），如相鄰波形谷底不在同一水平線上，則調節差動放大器的調零旋鈕使相鄰波形谷底在同一水平線上。再仔細調節測微頭，使相敏檢波器輸出波形幅值絕對值盡量為最小（銜鐵處在初級線圈的中點位置）。5、調節電橋單元中的W1、W2（二者交替配合反復調節）使相敏檢波器輸出波形趨于水平線（可相應調節示波器量程檔觀察）并且電壓表顯示趨于0（以電壓表顯示為主）。7、調節測微頭到20mm處并記錄電壓表讀數作為位移始點，以后順時針方向調節測微頭每隔X=0.2mm從電壓表上讀出輸出電壓V值（2

14、0mm全行程范圍），填入下表2。表2 差動變壓器測位移實驗數據X(mm)V(mV)8、 根據表15的實驗數據作出實驗曲線（自設十字坐標）并在曲線上截取線性較好的曲線段作為位移測量范圍（作為傳感器的量程）計算靈敏度S=VX與線性度。實驗完畢關閉所有電源開關。五、思考題：1、 此差動變壓器的量程多大？2、 差動變壓器輸出經相敏檢波器檢波后是否消除了零點殘余電壓和死區？ 答：消除了3、 從實驗曲線上能理解相敏檢波器的鑒相特性嗎? 實驗三 光纖位移傳感器測位移特性實驗一、實驗目的：了解光纖位移傳感器的工作原理和性能。二、基本原理：光纖傳感器是利用光纖的特性研制而成的傳感器。光纖具有很多優異的性能，例如

15、：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方(如高溫區)，或者對人有害的地區(如核輻射區)，起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。  光纖傳感器主要分為兩類：功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器(也稱為物性型和結構型)。功能型光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖，構成“傳”和“感”合為一體的傳感器。這里光纖不僅起傳光的作用，而且還起敏感作用。工作時利用檢測量去改變描述光束的一些基本參數，如光的強度、相位、偏振、頻率等，它們的改變反映

16、了被測量的變化。由于對光信號的檢測通常使用光電二極管等光電元件，所以光的那些參數的變化，最終都要被光接收器接收并被轉換成光強度及相位的變化。這些變化經信號處理后，就可得到被測的物理量。應用光纖傳感器的這種特性可以實現力，壓力、溫度等物理參數的測量。非功能型光纖傳感器主要是利用光纖對光的傳輸作用，由其他敏感元件與光纖信息傳輸回路組成測試系統，光纖在此僅起傳輸作用。本實驗采用的是傳光型光纖位移傳感器，它由兩束光纖混合后，組成Y形光纖，半園分布即雙D分布，一束光纖端部與光源相接發射光束，另一束端部與光電轉換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距d，由光源發出的光纖傳到端部

17、出射后再經被測體反射回來，另一束光纖接收光信號由光電轉換器轉換成電量，如圖31所示。發射光 接收光(a)光纖測位移工作原理 (b)Y形光纖圖31 Y形光纖測位移工作原理圖    傳光型光纖傳感器位移量測是根據傳送光纖之光場與受訊光纖交叉地方視景做決定。當光纖探頭與被測物接觸或零間隙時(d=0)，則全部傳輸光量直接被反射至傳輸光纖。沒有提供光給接收端之光纖，輸出訊號便為“零”。當探頭與被測物之距離增加時，接收端之光纖接收之光量也越多，輸出訊號便增大，當探頭與被測物之距離增加到一定值時，接收端光纖全部被照明為止，此時也被稱之為“光峰值”。達到光峰值之后，探針與被測物之

18、距離繼續增加時，將造成反射光擴散或超過接收端接收視野。使得輸出之訊號與量測距離成反比例關系。如圖32曲線所示，一般都選用線性范圍較好的前坡為測試區域。圖32 光纖位移特性曲線三、器件與單元：機頭中的振動臺、被測體(鐵圓片拋光反射面) 、Y形光纖探頭、光纖座(光電變換)、測微頭；顯示面板中的F/V表 ；調理電路面板傳感器輸出單元中的光纖；調理電路單元中的差動放大器。四、實驗步驟：1、擰松光纖探頭支架安裝軸套上的螺釘，小心緩慢地拔出支架安裝軸。觀察二根多模光纖組成的Y形位移傳感器：將二根光纖尾部端面(包鐵端部)對住自然光照射，觀察探頭端面現象，當其中一根光纖的尾部端面用不透光紙擋住時，探頭端面為半

19、圓雙D形結構。2、按圖273示意安裝、接線：在振動臺上安裝被測體(鐵圓片拋光反射面)，在振臺與測利頭吸合的情況下調節測微頭到10mm處。安裝光纖：安裝光纖時，要用手抓捏兩根光纖尾部的包鐵部分輕輕插入光纖座中,絕對不能用手抓捏光纖的黑色包皮部分進行插拔，插入時不要過分用力,以免損壞光纖座組件中光電管。將光纖探頭支架安裝軸插入軸套中，調節光纖探頭支架，當光纖探頭自由貼住振動臺的被測體反射面時擰緊軸套的緊固螺釘。再按圖33示意接線。 圖33 光纖傳感器位移實驗安裝、接線示意圖3、檢查接線無誤后合上主、副電源開關，將FV表的量程切換開關切換到2V檔。將差動放大器的增益電位器順時針方向緩慢轉到底后再逆向

20、回轉一點點，調節差動放大器的調零電位器使FV表顯示為0。4、順時針調節測微頭，每隔X=0.1mm 讀取電壓表顯示值（取X8mm行程的數據），將數據填入表3。X（mm）109.759.509.259.008.758.508.258.007.757.50V(v)00.2910.7541.1681.5031.8032.032.212.332.422.46表3 光纖位移傳感器輸出電壓與位移數據5、根據表27中的數據作出實驗曲線并找出線性區域較好的范圍（前坡）作為光纖位移傳感器的量程計算靈敏度和非線性誤差。實驗完畢，關閉主、副電源。五、數據處理：SV/X=0.984v/mm光電傳感器測轉速實驗一、實驗目

21、的：了解光電轉速傳感器測量轉速的原理及方法。二、基本原理：光電式轉速傳感器有反射型和透射型二種，本實驗裝置是透射型的(光電斷續器也稱光耦)，傳感器端部二內側分別裝有發光管和光電管，發光管發出的光源透過轉盤上通孔后由光電管接收轉換成電信號，由于轉盤上有均勻間隔的6個孔，轉動時將獲得與轉速有關的脈沖數，脈沖經處理由頻率表顯示，即可得到轉速=10f。實驗原理框圖如圖34所示。圖34 光耦測轉速實驗原理框圖三、需用器件與單元：機頭中的小電機、光電傳感器(已裝在轉速盤上)；顯示面板中的F/V表 、電機控制、±2V±10V步進可調直流穩壓電源；調理電路面板傳感器輸出單元中的光電。四、實

22、驗步驟：1、按圖35所示接線，將FV表切換到頻率2KHz檔。直流穩壓電源調到10V檔。圖35 光電傳感器測轉速實驗接線示意圖2、檢查接線無誤后，合上主、副電源開關，調節電機控制旋鈕，FV表就顯示相應的頻率f，計算轉速為=10f。實驗完畢，關閉主、副電源。五、數據處理：測得f=980(HZ),則n=10f=9800(r/min)實驗四 熱電偶的原理及現象實驗一、實驗目的：了解熱電偶測溫原理。 二、基本原理：1821年德國物理學家賽貝克（T×J×Seebeck）發現和證明了兩種不同材料的導體A和B組成的閉合回路，當兩個結點溫度不相同時，回路中將產生電動勢。這種物理現象稱為熱電效

23、應（塞貝克效應）。熱電偶測溫原理是利用熱電效應。 如圖41所示，熱電偶就是將A和B二種不同金屬材料的一端焊接而成。A和B稱為熱電極，焊接的一端是接觸熱場的T端稱為工作端或測量端，也稱熱端；未焊接的一端處在溫度T0稱為自由端或參考端，也稱冷端(接引線用來連接測量儀表的 圖41熱電偶兩根導線C是同樣的材料，可以與A和B不同種材料)。T與T0的溫差愈大，熱電偶的輸出電動勢愈大；溫差為0時，熱電偶的輸出電動勢為0；因此，可以用測熱電動勢大小衡量溫度的大小。國際上，將熱電偶的A、B熱電極材料不同分成若干分度號，并且有相應的分度表即參考端溫度為0時的測量端溫度與熱電動勢的對應關系表；可以通過測量熱電偶輸出

24、的熱電動勢值再查分度表得到相應的溫度值。熱電偶一般用來測量較高的溫度，應用在冶金、化工和煉油行業，用于測量、控制較高的溫度。 本實驗只是定性了解熱電偶的熱電勢現象，實驗儀所配的熱電偶是由銅康銅組成的簡易熱電偶，分度號為T。實驗儀有二個熱電偶，它們封裝在懸臂雙平行梁上、下梁的上、下表面中，二個熱電偶串聯在一起，產生熱電勢為二者之和。 三、需用器件與單元：機頭平行梁中的熱電偶、加熱器；顯示面板中的F/V表(或電壓表)、-15V電源；調理電路面板中傳感器輸出單元中的熱電偶、加熱器；調理電路單元中的差動放大器；室溫溫度計（自備）。 四、實驗步驟： 1、熱電偶無溫差時差動放大器調零：將電壓表量程切換到2

25、V檔，按圖42示意接線，檢查接線無誤后合上主、副電源開關。將差動放大器的增益電位器順時針方向緩慢轉到底（增益為101倍），再逆時針回轉一點點（防電位器的可調觸點在極限端點位置接觸不良）；再調節差動放大器的調零旋鈕，使電壓表顯示0V左右，再將電壓表量程切換到200mV檔繼續調零，使電壓表顯示0V。并記錄下自備溫度計所測的室溫tn。圖42 熱電偶無溫差時差動放大器調零接線示意圖2、將-15V直流電源接入加熱器的一端，加熱器的另一端接地，如圖43所示。觀察電壓表顯示值的變化，待顯示值穩定不變時記錄下電壓表顯示的電壓值V。此電壓值V為二個銅康銅熱電偶串聯經放大100倍后的熱電勢。圖43 熱電偶測溫實驗

26、接線示意圖3、根據熱電偶的熱電勢與溫度之間的關系式：E(t,to)=E(t,tn)+E(tn,to)計算熱電勢。式中：t -熱電偶的熱端（工作端或稱測溫端）溫度。 tn-熱電偶的冷端（自由端即熱電勢輸出端）溫度也就是室溫。to-0、首先計算熱端溫度為t,冷端溫度為室溫時熱電勢：E(t,tn)=電壓表V÷（100×2）式中：100為差動放大器的放大倍數，2為個熱電偶。、其次查以下所附銅康銅熱電偶分度表，得到熱端溫度為室溫（溫度計測得），冷端溫度為0時的熱電勢E(tn,to):。、最后計算熱端溫度為t，冷端溫度為0時的熱電勢：E(t,to)=E(t,tn)+E(tn,to),根據計算結果，查分度表得到所測溫度t（加熱器功率較小，升溫10左右）。附表：銅康銅熱電偶分度表(自由端溫度為0時tmV對應值) 分度號：T （自由端溫度0） 工作端溫度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熱 電 動 勢 （mV） -10-0.383 -0.421 -0.459 -0.496 -0.534 -0.571 -0.608-0.646-0.683-0.720 0-0.000-0.039 -0.077-0.116 -0.154 -0.193 -0.231 -0.269 -0.307 -0.345 00.0000