检测与转换技术

四、 实验原理
1、热电偶测温：热电偶是热电式传感器的一种，它可将温度变化转化成电势的变化，其工作原
理是建立在热电效应的基础上的。即将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两个结点的温度
不同，回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料的性质和结点的温度有关。因此只要保持冷
端温度 t0 不变，当加热结点时，热电偶的输出电势 E 会随温度 t 变化，通过测量此电势即可知道两端 温差，从而实现温度的测量。本仪器中热电偶为铜—康铜热电偶（K 型）。
应变灵敏系数
ΔR R
=
(1 +
2μ )ε
+
Δρ ρ
≈
Δρ ρ
= π L Eε
= π Lσ
KB
=
ΔR / R ε
=
(1 +
2μ ) +
Δρ / ρ ε
≈ πLE
式中，E — 半导体应变片材料的弹性模量； πL — 半导体晶体材料的纵向压阻系数，与晶向有关。
特点：灵敏系数高（其灵敏度是金属应变片的几十倍），可测微小应变，机械迟滞和横向效应
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小，体积小。但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿。
五、 主要技术重点、难点
测试方法的理解和运用。
六、 实验步骤
1．调零。开启仪器电源，差动放大器增益置 100 倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端 用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后 拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化，调零后关闭仪器电源。
4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电压为 零为起点，向上或向下移动 5mm，测微头每移动 0.5mm 记录一个差动放大器输出电压值，并列表。
5. 半导体应变片单臂电桥测试：保持差动放大器增益不变，按图 1.1 将实验部件用实验线连接 成测试桥路，将图 1.1 中的 R 换为半导体应变片，重复金属箔式单臂电桥的步骤；
2．按图 1.1 将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中 R1、R2、R3、和 WD 为电桥中的固 定电阻和直流调平衡电位器，R 为金属箔式应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励 电源为±4V。
3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并 调节使应变梁处于基本水平状态。调整电桥 WD 电位器，使测试系统输出为零。
位移 mm 电压 V
6. 直流半桥：保持差动放大器增益不变，将 R2 换成与应变片 R 工作状态相反的另一金属箔式应 变片，（若 R 拉伸，换上去的应为压缩片）形成半桥。重复单臂电桥的步骤；
7 直流全桥：保持差动放大器增益不变，将 R1 换成与应变片 R 工作状态相反的另一金属箔式应 变片，（若 R 拉伸，换上去的应为压缩片），将 R3 换成与应变片 R 工作状态相同的另一金属箔式应 变片，形成全桥。重复单臂电桥的步骤。
E（t , to） = E（t , t1） +
实际电动势
测量所得电势
E（t1 , to） 温度修正电动势
式中 E 为热电偶的电动势，t 为热电偶热端温度，to 为热电偶参考端温度为 0℃，t1 为热电偶 参考端所处的温度。查阅铜－康铜热电偶分度表，求出加热端温度 t；
图 2.1 热电偶测温电路
2、热敏电阻的测温试验步骤（老设备）
1) 调节差动放大器输出为零。开启仪器总电源并将仪器左下角的±15V 电源开关置于“开”的位 置。差动放大器增益置 100 倍（顺时针方向旋到底） “+、-”输入端用实验线对地短路。输 出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零 后，差动放大器的两个电位器的位置不要变化；
Δ △R3／R3、△R4／R4，当使用一个应变片时， ∑ R = R ；当二个应变片组成差动状态工作，则有
＋4V
R R2
＋
V
Hale Waihona Puke Baidu
WD
－
－4V
R3
R1
图 1.1 单臂电桥测试原理图
∑R
=
2ΔR R
；用四个应变片组成二个差动对工作，且
R1＝R2＝R3＝R4＝R，
∑R
=
4ΔR R
。
由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。单臂电桥测试原理如图 1.1 所示。
《检测与转换》实验指导书
《检测与转换技术》
实验指导书
适用专业: 电气工程、信息工程 课程代码: 8401540 总学时: 48 总学分: 3 编写单位: 测控技术与仪器系 编 写 人: 郑萍 王萍 叶凯 审 核 人: 审 批 人: 批准时间: 2010 年 5 月 20 日
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合得到应用？
八、 实验注意事项
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干 扰；
2．接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂； 3．稳压电源不要对地短路； 4. 进行上述实验时激励电压，差动放大器增益、测微头起始点位置等实验条件必须一致，否 则就无可比性。
二、实验内容
1. 采用 K 型热电偶进行测温 2. 并通过计算算出环境温度对温度测量的影响； 3. 采用热敏电阻进行测温； 4. 采用集成温度传感器进行测温 5. 比较以上三种传感器的测温特点
三、实验仪器、设备及材料
热电偶、热敏电阻 RT、集成温度传感器、温度变换器、加热器、差动放大器、电压表、温度计 （自备）。
敏电阻阻值的变化将导致由电桥、运放组成的压/阻变换电路的输出电压变化，其关系可表示为：
T
= 273 + t，T0
=
273
+
t
，
0
T
和
T
0
分别为介质的起始温度和变化终了温度（K）,
t与t0 分别为
介质的起始温度和变化终了温度（ 0 C ）
有： 1 = 1 ln RT + 1 T B RT0 T0
五、主要技术重点、难点 热电偶的冷端处理，所测温度的计算与修正。
六、实验步骤 1、热电偶的测温试验步骤
压，记入数据表。直至电压稳定；
测温
放大
Rt
电桥
电路
VF 图 2.2 热敏电阻测温电路
4) 根据计算热电偶的稳定温度值 T, 计算第 5 点的温度值 T5。 由图 2.2 可知，老设备的输出电压是热敏电阻受温度影响后电阻变化引起的输出电压。
计算：由于U T 与UT 0 分别是热敏电阻在温度 T与T0 时对应的输出电压，因此当温度变化时，热
2、热敏电阻测温：热敏电阻是热电式传感器的一种，它可将温度变化转化为电阻变化以达到测
量温度的目的。热敏电阻是利用半导体材料制成的热敏元件，它具有灵敏度高，可以应用于各领域的
优点。热电偶一般测高温线性较好，热敏电阻则用于 200℃以下温度较为方便。
本实验中所用热敏电阻为负温度系数。其定义为热敏电阻在其自身温度变化 1℃时，电阻值的相
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实验一 箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥性能比较与半导体应变片性能比较试验
一、 实验目的和任务
1． 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式； 2． 测试应变梁变形的应变输出； 3． 比较各桥路间的输出关系； 4． 比较金属应变片与半导体应变片的各种的特点。
二、 实验内容
1． 测量直流单臂，半桥和全桥的输出特性； 2． 比较温度对单臂，半桥和全桥性能的影响； 3． 对单臂、半桥和全桥的灵敏度，线性度进行比较； 4． 采用单臂电桥进行测量，对金属应变片、半导体应变片进行灵敏度的比较。
七、 实验报告要求
1. 用表格形式列出金属箔式应变片单臂、半桥、全桥实验数据； 2. 分别在坐标纸上绘出三种情况下的输出特性曲线（X-V 曲线）并在同一坐标纸上描出此三条
曲线，讨论三种情况下的线性误差，灵敏度； 3. 用表格形式列出半导体应变片单臂电桥实验数据，在坐标纸上绘出金属箔式应变片单臂电桥
和半导体应变片单臂电桥情况下的输出特性曲线（X-V 曲线）并在同一坐标纸上描出此二条 曲线，以便比较灵敏度，讨论这二种情况下的线性误差，灵敏度。 例：直流单臂电桥 1、 数据表
灵敏度
=
某一位移下的输出电压 该位移
此处近似为输出特性曲线两端点连接直线的斜率。
最后在同一坐标纸上作出三种情况下的输出特性曲线。
通过以上比较可以得出什么样的结论？并回答为什么应变片传感器常采用半桥式或全桥形式？
5、重复以上步骤，比较半导体应变片和金属箔式应变片，通过以上比较可以得出什么样的结论？
并回答为什么采用半导体应变片来测量微应变？为什么尽管金属应变片的灵敏度很小，但仍在许多场
对变化量，可用下式表示为：
αT
=1 RT
dRT dT
=− B T2
式中 B 为热敏电阻常数。本实验所用的热敏电阻 B=3200K。
负温度系数的热敏电阻其特性可以表示为：
B( 1 − 1 )
RT = RT0 e T T 0
式 中 RT 、 RT0 分 别 为 温 度 T （ 绝 对 温 度 K) 和 T0 （ 绝 对 温 度 K) 时 的 热 敏 电 阻 值 ， 且
2) 将热电偶接入差动放大器的双端输入，记录数字表显示的电压值 Ut； 3) 打开加热开关，观察差动放大器输出电压的变化，每隔 1-2 分钟记录一次电压值，待温度不再
上升时（达到相对的热稳定状态），记录电压表读数，并求出温度值；
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4) 本仪器上热电偶是由两支铜－康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增 益为 100 倍，计算热电势时均应考虑进去。用温度计读出热电偶参考端所处的室温 t1；
2、X-V 曲线
3、最大线性误差 式中 ζ ∠ 为非线性误差。
ζ∠
= ΔVMAX VF•S
× 100%
4
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︱ ΔVMAX ︱输出值与理论直线的最大偏差绝对值。此处理论曲线取两端点的连线。VF•S 满量
程输出VF•S ＝︱VH－VL︱为上下限标称值之差的绝对值，此处下限 VL＝0 所以VF•S ＝VH。 4、 灵敏度
目录
实验一 应变电阻特性实验（实验代码 1）……………………………………………2 实验二 热电式传感器试验（实验代码 2）……………………………………………6 实验三 基于上位机检测的光电测速、测频率综合实验（实验代码 3）……………9 实验四 基虚拟仪器的霍尔式传感器的直流激励特性综合实验（实验代码 4）……11 附录 1：成绩考核办法……………………………………………………………………14 附录 2：推荐教材、参考书………………………………………………………………14
九、 思考题
1. 为什么需要将放大器增益放到最大后再进行调零？ 2. 应变片的安装位置如何？ 3. 半导体应变片的特点是什么？ 4. 增益放在什麽位置好？ 5. 你怎样确定零点、量程和测量范围？
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实验二 热电式传感器试验
一、实验目的和任务
1、观察了解热电偶的结构； 2、熟悉热电偶的工作特性； 3、学会查阅热电偶分度表； 4、了解热敏电阻的特性； 5、比较热电偶和热敏电阻的特性。
三、 实验仪器、设备及材料
直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、（或双孔悬臂梁、称重 砝码）、电压表。
四、 实验原理
1. 金属箔式应变片性能及单臂、半桥、全桥性能 本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。 应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面， 当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路， 转换成电信号输出显示。 优点: 稳定性和温度特性好；缺点: 灵敏度系数小。 电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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△R1／R1、△R2／R2、
如果 R1＝R2＝R3＝R4，则
U0
=U 4
( ΔR1 R1
−
ΔR2 R2
+
ΔR3 R3
−
ΔR4 ) = U R4 4
ΔR1 R1
=U 4
Kε
从上式中可以看出电桥中相邻两臂的应变片受力应相反。
2. 半导体材料的压阻效应
半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为半导体材料的压阻效应。
对于长 l，截面积 S，电阻率ρ的条形半导体应变片，在轴向力 F 作用下：
1) 观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入温
度变换器 RT 端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出
U0
端的输出电压值尽可能大但不超量程，记录
U
R T0
值；
2) 用温度计测出环境温度，记录 T0 值。（用国际温标）；
3) 打开加热器，观察温度变换器输出电压的变化情况。每隔 1
分钟，尽可能同时测出热电偶、热敏电阻传感器的输出电