1、湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院厚德博學(xué)和而不同HUNANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化年級(jí)：級(jí)學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：二0一三年一月四日實(shí)驗(yàn)一金屬應(yīng)變計(jì)及直流電橋電路應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察金屬箔式應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)，了解應(yīng)變計(jì)粘貼方式；2、了解受力懸臂梁、圓柱、圓筒等的應(yīng)變與應(yīng)變計(jì)應(yīng)變電阻變化的對(duì)應(yīng)關(guān)3、測(cè)試受力應(yīng)變梁變形的應(yīng)變輸出；4、對(duì)金屬箔式應(yīng)變計(jì)接成單臂、半橋、全橋三種電橋電路的性能進(jìn)行比較;5、了解金屬箔式應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及補(bǔ)償方式。、實(shí)驗(yàn)原理1、應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測(cè)力時(shí)，應(yīng)

2、變片要牢固地粘貼在測(cè)試體表面。當(dāng)被測(cè)式元件受力作用發(fā)生形變，粘貼在其表面上的應(yīng)變片敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)測(cè)量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示。2、電橋電路是最常用的非電量電測(cè)電路。當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路相對(duì)兩臂電阻乘積相等，電橋輸出為零。假設(shè)橋臂電阻R、R、R、R4中，電阻的相對(duì)變化量分別為R/Ri、AR>/R2、AR3/R3、R4/R40當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片作為工作R臂構(gòu)成單臂電橋且其它三臂電阻相等時(shí)（初始：R=R=R=R=R）,ZR=匕；當(dāng)R使用二個(gè)應(yīng)變片作為工作臂構(gòu)成差動(dòng)電橋且其它兩臂電阻相等時(shí)（初始:Ri=R2=R=R=R）,£r=24R；當(dāng)使用四個(gè)應(yīng)變片

3、為工作臂構(gòu)成差動(dòng)全橋且初始RRxi=R(2=R(3=R(4=R時(shí),3、根據(jù)戴維南定理可知單臂電橋的輸出值U。電1ER,靈敏度Ku=工O4Ru舊R推廣可知單臂、差動(dòng)半橋和差動(dòng)全橋的輸出電壓UO=口迎四+注氏靈敏度分別為E、E和E。可知，當(dāng)E4RiR2R3R442和電阻相對(duì)變化量一定時(shí)，電橋的靈敏度與各橋臂阻值的大小無(wú)關(guān)。4、當(dāng)應(yīng)變片所處環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，由于其敏感柵本身的溫度系數(shù)，自身的標(biāo)稱電阻值發(fā)生變化；另外如果粘貼應(yīng)變片的被測(cè)試元件與應(yīng)變片敏感柵的熱膨脹系數(shù)不同，也會(huì)引起附加形變，產(chǎn)生附加電阻。為避免溫度變化時(shí)引入的測(cè)量誤差，在實(shí)用的測(cè)試電路中要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。常用的溫度補(bǔ)償方法有電橋補(bǔ)償法

4、和應(yīng)變片自補(bǔ)償法。本實(shí)驗(yàn)中采用的是電橋補(bǔ)償法。三、實(shí)驗(yàn)所需部件直流穩(wěn)壓電源+4V、公共電路模塊、貼于工作臺(tái)懸臂梁上的箔式應(yīng)變片和溫度補(bǔ)償片、應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、應(yīng)變加熱器、數(shù)字電壓表、稱重整碼（20克/個(gè)）、連接導(dǎo)線若干。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、應(yīng)變計(jì)的性能應(yīng)變電橋1）差動(dòng)放大器調(diào)零：連接工作臺(tái)與應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、公共電路模塊的電源連接線；將差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針方向旋到底）；差動(dòng)放大器“+”“-”輸入端用短線短接并與地端連接；差動(dòng)放大器的輸出端與數(shù)字電壓表的輸入端相連；開啟主機(jī)電源，將數(shù)字電壓表的量程選擇為2V檔，用調(diào)零電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零；然后拔掉實(shí)驗(yàn)線，調(diào)零后

5、公共電路模塊上的“增益”、“調(diào)零”電位器均不再變動(dòng)。2）觀察貼于懸臂梁根部的應(yīng)變計(jì)的位置與方向，按圖（1）應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖將所需實(shí)驗(yàn)部件連接成測(cè)試橋路，圖中R、R、R分別為固定標(biāo)準(zhǔn)電阻，R為應(yīng)變計(jì)（可任選上梁或下梁中的一個(gè)工作片）。圖中每?jī)蓚€(gè)節(jié)之間可理解為一根實(shí)驗(yàn)連接線（注意連接方式，勿使直流激勵(lì)電源短路）。將載重托盤安裝于應(yīng)變懸臂梁前端永久磁鋼上。雙孔懸臂梁稱重傳感器!：-Oc應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０錜vv4接主控箱投效星息 電源辭出明電OrwJ圖（1）應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖3）確認(rèn)接線無(wú)誤后開啟主機(jī)，并預(yù)熱數(shù)分鐘，使電路工作趨于穩(wěn)定。調(diào)節(jié)模塊上的WD電位器，使橋路輸出為零。

6、4）逐個(gè)將整碼放上稱重平臺(tái)，測(cè)量V0端輸出電壓記錄W饒）與V（mv）的對(duì)應(yīng)值；然后逐個(gè)將整碼取下稱重平臺(tái)，再次測(cè)量V0端輸出電壓記錄W例）與V（mv）的對(duì)應(yīng)值。并填入下表一：表一：?jiǎn)伪垭姌驅(qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)W例)020406080100120140160140120100806040200V(mv)00.020.0450.070.090.110.130.1550.180.1550.130.110.090.0650.040.0205）記錄W與V值，并做出W-V曲線，進(jìn)行靈敏度、線性度、重復(fù)性和遲滯性的比較。注意事項(xiàng)：1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查實(shí)驗(yàn)連接線是否完好，學(xué)會(huì)正確插拔連接線，這是順利完成實(shí)驗(yàn)的基本保證。2）由

7、于懸臂梁彈性恢復(fù)的滯后及應(yīng)變片本身的機(jī)械滯后，所以當(dāng)全部取下整碼后回到初始位置后橋路電壓輸出值并不能馬上回到零。3）實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)者在放置和取下整碼后應(yīng)將手離開儀器后方能讀取測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓數(shù)，否則雖然沒有改變刻度值也會(huì)造成微小位移或人體感應(yīng)使電壓信號(hào)出現(xiàn)偏差。4）因?yàn)槭切⌒盘?hào)測(cè)試，所以調(diào)零后電壓表應(yīng)置2V檔，用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)選用200mvM程。2、箔式應(yīng)變計(jì)三中橋路的性能比較1）在完成上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，依次將圖（1）中的固定電阻R換接應(yīng)變片組成差動(dòng)半橋電路（相鄰兩臂極性相反一受應(yīng)力情況相反）；2）再將固定電阻R、R換接應(yīng)變片組成差動(dòng)全橋電路（相鄰兩臂極性相反一受應(yīng)力情況相反、相對(duì)兩臂極性相同

8、一受應(yīng)力情況相同）。3）重復(fù)1中的3-4步驟，按照?qǐng)D（2）雙臂電橋接線圖和圖（3）全橋接線圖完成對(duì)差動(dòng)半橋與差動(dòng)全橋的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并填入下表二和表三：圖（2）雙臂電橋接線圖加用器RnRio應(yīng)變傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０搴藬?shù)顯表 電源虢出 V、地）。Rwg 4> 4，15v -*- +I5v表二：差動(dòng)半橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)W饒）020406080100120140160140120100806040200V(mv)00.050.090.140.180.230.270.310.350.310.260.220.170.130.090.040陵圭濘簿電港輸出+-4丫/4*"rwwiS'Ri-R|婦一目

9、|<-4=1©圖（3）全電橋接線圖表三：差動(dòng)全橋?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)W院)020406080100120140160140120100806040200V(mv)00.090.180.260.350.440.530.620.710.620.530.440.360.270.180.090【注意事項(xiàng)：應(yīng)變計(jì)接入橋路時(shí)，要注意應(yīng)變計(jì)的受力方向，一定要接成差動(dòng)形式，即相鄰兩臂受力方向相反，相對(duì)兩臂受力方向相同，如果接反則電路無(wú)輸出或輸出很小?！?）在同一坐標(biāo)上描出三中測(cè)試結(jié)果的V-X曲線，比較三種橋路的靈敏度,并做出定性的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)二霍爾式傳感器的交、直流激勵(lì)測(cè)位移、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆赵谥绷餍盘?hào)、交流信

10、號(hào)激勵(lì)下的霍爾傳感器測(cè)試位移系統(tǒng)的一般形式、實(shí)驗(yàn)原理1、霍爾式傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，其輸出的霍爾R電勢(shì)Uh=KhIhB,其靈敏度Kh由霍爾片本身的性質(zhì)決定（Kh=上，霍爾系d數(shù)Rh=R，P,等于材料的電阻率與電子的遷移率的乘積；d是霍爾片的厚度）；Ih是霍爾元件的激勵(lì)電流，B是加在霍爾片上的垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)霍爾元件位于由兩個(gè)環(huán)形磁鋼組成的梯度磁場(chǎng)中同時(shí)施加一定的激勵(lì)電流Ih時(shí)，在梯度磁場(chǎng)中通過(guò)霍爾片位移變化改變磁場(chǎng)強(qiáng)度B的大小從而使輸出的霍爾電勢(shì)變化，這樣就構(gòu)成了位移傳感器。2、霍爾元件通以恒定直流電流和交流電流激勵(lì)時(shí)，就有霍爾電勢(shì)輸出，霍爾電勢(shì)的大小正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度（磁場(chǎng)

11、位置），當(dāng)所處的磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。三、實(shí)驗(yàn)所需部件直流穩(wěn)壓電源（2V）、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、公共電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K、相敏檢波電路實(shí)驗(yàn)?zāi)K、音頻信號(hào)源、電壓表、測(cè)微儀、示波器。四、實(shí)驗(yàn)驟與內(nèi)容步1、直流激勵(lì)特性實(shí)驗(yàn)1）安裝好梯度磁場(chǎng)及霍爾傳感器，測(cè)量微小唯一量的螺旋測(cè)微儀調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。2）差動(dòng)放大器調(diào)零：連接工作臺(tái)與應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、公共電路模塊的電源連接線；將差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針方向旋到底）；差動(dòng)放大器“+”“-”輸入端用短線短接并與地端連接；差動(dòng)放大器的輸出端與數(shù)字電壓表的輸入端相連；開啟主機(jī)電源，將數(shù)字電壓表的量程選擇為2V檔，用調(diào)零電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出

12、電壓為零；然后拔掉實(shí)驗(yàn)線，調(diào)零后公共電路模塊上的“增益”、“調(diào)零”電位器均不再變動(dòng)。3）實(shí)驗(yàn)接線按圖（1）所示，按圖接線。冶金校區(qū)版本的試驗(yàn)臺(tái)確認(rèn)霍爾元件直流激勵(lì)電壓一端接2V另一激勵(lì)端接地，差動(dòng)放大器增益10倍左右工學(xué)院校區(qū)版本的試驗(yàn)臺(tái)確認(rèn)霍爾元件直流激勵(lì)電壓為±4V,差動(dòng)放大器增益差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針方向旋到底）。圖（1）直流激勵(lì)電流接線圖3）用螺旋測(cè)微儀調(diào)節(jié)霍爾片的位移使霍爾元件置于梯度磁場(chǎng)中間，并調(diào)節(jié)電橋直流電位器W（調(diào)節(jié)霍爾元件的等位電勢(shì)）使輸出為零。讀取相應(yīng)的電壓值，并記入下表：X(mrm-3.5-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.500.51.0

13、1.52.02.53.03.5V0(mV)0作出V-X曲線，求得靈敏度和線性工作范圍，觀察輸出曲線的遲滯、重復(fù)性等。如出現(xiàn)非線性情況，請(qǐng)查找原因。4）從中點(diǎn)開始，調(diào)節(jié)螺旋測(cè)微儀，左右移動(dòng)霍爾元件各3.5mm每變化量0.5mm注意事項(xiàng)直流激勵(lì)電壓只能是2V,不能接+2V（4V）否則睇化鈿霍爾元件會(huì)燒壞。2、交流激勵(lì)特性實(shí)驗(yàn)1）在步驟一的基礎(chǔ)上按圖（2）接好實(shí)驗(yàn)電路電壓表音燕振蕩器圖（2）交流激勵(lì)電流接線圖2）差動(dòng)放大器調(diào)零：連接工作臺(tái)與應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K、公共電路模塊的電源連接線；將差動(dòng)放大器增益置于最大位置（順時(shí)針方向旋到底）；差動(dòng)放大器“+”“-”輸入端用短線短接并與地端連接；差動(dòng)放大器的輸出端與數(shù)字電壓表的輸入端相連；開啟主機(jī)電源，將數(shù)字電壓表的量程選擇為2V檔，用調(diào)零電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零；然后拔掉實(shí)驗(yàn)線，調(diào)零后公共電路模塊上的“增益”、“調(diào)零”電位器均不再變動(dòng)。3）音頻信號(hào)輸出從1800端口（電壓輸出）引出，幅度Vp-p&4V,示波器兩個(gè)通道分別接相敏檢波器、端。4）開啟主機(jī)電源