热工测试技术实验指导书课件资料

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书

实验一. 各种传感器的性能测试及标定

1.金属泊式应片：直流单臂、半桥、全桥比较

实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能，比较它们的测量结果。

实验所需单元：直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V(频率/电压)表。

实验注意事项：

（1）电桥上端虚线所示的四个电阻实际并不存在。

（2）在更换应变片时应关闭电源。

（3）实验过程中如发现电压表过载，应将量程扩大。

（4）接入全桥时，请注意区别各应变片的工作状态，桥路原则是：对臂同性，邻臂异性。

（5）直流电源不可随意加大，以免损坏应变片。

实验步骤：

（1）直流电源旋在±2V档。F/V表置于2V，差动放大器增益打到最大。

（2）观察梁上的应变片，转动测微头，使梁处于水平位置（目测），接通总电源及副电源。放大器增益旋至最大。

（3）差动放大器调零，方法是用导线将放大器正负输入端与地连接起来，输出端接至F/V表输入端，调整差动放大器上的调零旋钮，使表头指示为零。

（4）根据图1的电路，利用电桥单元上的接线和调零网络连接好测量电路。图中r及w1为调平衡网络，先将R4设置为工作片。

（5）直流电源打到±4V，调整电桥平衡电位器使电压表为零（电桥调零）。

（6）测微头调整在整刻度（0mm）位置，开始读取数据。

图1 应变片直流电桥电路

（8）保持差动放大器增益不变，将R3换为与R4工作状态相反的另一个应变片，形成半桥电路，

（9）保持差动放大器增益不变，将R1、R2两个电阻换成另外两个应变片，接成一个直流全桥，并

X（mm）

V (mv)

（10）观察正反行程的测量结果，解释输入输出曲线不重合的原因。

（11）在同一坐标上描绘出X—V曲线，比较三种接法的灵敏度。

思考题

1．根据X—V曲线，计算三种接法的灵敏度K=∆V/∆X，说明灵敏度与哪些因素有关？

2．根据X—V曲线，描述应变片的线性度好坏。

3．如果相对应变片的电阻相差很大会造成什么结果，应采取怎样的措施和方法？

4．如果连接全桥时应变片的方向接反会是什么结果，为什么？

2.霍尔式传感器、霍尔传感器的直流激励特性实验

霍尔元件的结构中，矩型薄片状的立方体称为基片，在它的两侧各装有一对电极。一个电极用以加激励电压或激励电流，故称为激励电极。另一个电极作为霍尔电势的输出，故称霍尔电极。

在实际应用中，当磁场强度H（或磁感应强度B）和激励电流I中的一个量为常量，而另一个作为输入时，则输出霍尔电势Uh(或B)或I。当输入量是H（或B）或I时，则输出霍尔电势Uh正比于H（或B）与I的乘积。

实验装置采用的磁路系统图2（a）所示，由于两对极性相反的磁极的共同作用，在磁极间形成一个梯度磁场。理想特性如图2（b）所示磁感应强度B是位移x的函数，既B=f(x)。调整霍尔元件处于图示中心位置时，由于该处磁场作用抵消B=0 ，所以霍尔元件上下运动时霍尔电势大小和符号也会跟随变化，并且有Uh=f(x)。因此，若用一标准磁场或已知特性磁场的磁路系统来校准霍尔元件的输出电势时可采用测量磁场强度的方法。

图2 实验仪器的霍尔元件磁路系统和特性

实验目的：了解霍尔传感器的基本原理与特性

实验所用单元：霍尔传感器、电桥、差动放大器、直流电源、F/V电压表。

实验注意事项：

（1）霍尔元件上所加电压不得超过±2V，以免损坏霍尔晴，辨别霍尔片的输入端。

（2）一旦调整好测量系统，测量时不能移动磁路系统。

实验步骤：

（1）差动放大器增益旋至最小，F/V电压表量程置2V档，直流稳压电源放在2V档。

（2）开启电源，差动放大器调零。

（3）按图3接好电路，调整平衡网络w1，使电压指示为零。

（4）旋动测微头，每0.2mm读一个数，记下电压表的输出电压值，并将结果填入下表：

（5）根据测量结果作出V—X曲线，指出线性范围。求出灵敏度K=△V/△X

图3 霍尔传感器直流特性测试

思考题（1）本实验测出的实际上是磁场的分布情况，它的线性好坏是否影响位移测量的线性度好坏

4. 电涡流式传感器实验

一、实验目的

1、了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。

2、了解电涡流传感器的实际应用——电子秤

二、所需单元和部件

涡流变换器、F/V表、测微头、铁测片、涡流传感器、差动放大器、示波器、振动平台、砝码、电桥、主、副电源

三、实验原理

根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，电涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高等特点，应用极其广泛。

探头、(延伸电缆)、前置器以及被测体构成基本工作系统。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。如果在这一交变磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这一磁场能量会全部损失；当有被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，电磁学上称之为电涡流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I 和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函数来表示。通常我们能做到控制τ, ξ, б, I, ω这几个参数在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，虽然它整个函数是一非线性的，其函数特征为"S"型曲线，但可以选取它近似为线性的一段。于此，通过前置器电子线路的处理，将线圈阻抗Z的变化，即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。

四、实验步骤

1、静态标定

（1）装好传感器（传感器对准铁测片安装）和测微头。

（2）观察传感器的结构，它是一个扁平线圈。

（3）用导线将传感器接入涡流变换器输入端，将输出端接至F/V表，电压表置于20V档，开启主、副电源。

（4）用示波器观察涡流变换器的输入端的波形。（如果没有振荡波形出现，再将传感器远离被测体），示波器所选通道置于2V档。

,故振荡频率约为由此可见，波形为_________波形，示波器的时基为__________cm

s/

_________________。

（5）调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始每隔0.25mm读数，直到线形严重变坏为止，记录测微头的读数x和相应的涡流变换器输出电压U（注意：x是测微头的直接读数，可看成金属涡流片的位置坐标，不必从0开始），填入下表，并根据实验数据在坐标纸上画出V-X 曲线，指出大致的线形范围，求出系统灵敏度。实验完毕关闭主副电源。