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传感器-实验教案传感器-实验教案
实验一 金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能实验
一、实验目的:
1、了解金属箔式应变片的应变效应,单臂电桥、半桥、全桥的工作原理和性能
2、比较单臂电桥、半桥、全桥的不同性能,了解其特点
3、比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度,得出相应的结论
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:
式中为电阻丝电阻的相对变化,为应变灵敏系数,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的受力状态变化,电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化,电桥的输出电压反映了相应的受力状态。
单臂电桥输出电压O1。
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Uo2=。
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Uo3=。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改善。
三、需用器件与单元:
应变式传感器实验模块、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源
四、实验步骤:
1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模块的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝也接于模块上,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。
2、接入模块电源±15V(从主控箱引入),检查无误后,合上主控箱电源开关,将实验模块调节增益电位器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,输出端Vo2与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相连,调节实验模块上调零电位器Rw4,使数显表显示为零(数显表的切换开关打到2V档)。关闭主控箱电源。
3、将应变式传感器的其中一个应变片R1(即模块左上方的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(从主控箱引入)如图1-2所示。在电子秤上放上托盘,检查接线无误后,合上主控箱电源开关。调节Rw1,使数显表显示为零。
4、在电子秤上放置一只砝码,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。
表1-1 单臂电桥输出电压与加负载重量值
重量(g) 电压(mv) 5、根据图1-3接线。R1、R2为实验模块左上方的应变片,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1-2,计算灵敏度S=,非线性误差f2。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。
表1-2 半桥测量时,输出电压与加负载重量值
重量(g) 电压(mv) 6、根据图1-4接线,实验方法与实验二相同。将实验结果填入表1-3;进行灵敏度和非线性误差计算。
表1-3全桥输出电压与加负载重量值
重量(g) 电压(mv) 7、根据表1-1,1-2,1-3计算系统灵敏度S,S=(输出电压变化量;重量变化量)计算线性误差:f1=F ?S×100%,式中为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差:F ?S满量程输出平均值,此处为200g。
五、思考题:
1、单臂电桥时,作为桥臂电阻应变片应选用:(1)正(受拉)应变片(2)负(受压)应变片(3)正、负应变片均可。
2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时,应放在:(1)对边(2)邻边。
3、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(2)应变片应变效应是非线性的(3)调零值不是真正为零。
4、全桥测量中,当两组对边(R1、R3为对边)电阻值R相同时,即R1= R3, R2= R4,而R1≠R2时,是否可以组成全桥:(1)可以 (2)不可以。
5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片,如何利用这四片电阻应变片组成电桥,是否需要外加电阻?
实验二 电涡流传感器的应用
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、了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响
3、了解
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