《工程测试技术(B)》实验指导书

北京理工大学珠海学院

《工程测试技术（B）》实验指导书

吴明友编写

机械与车辆学院

机电教研室

2014.2.28

目录

实验一电阻应变片的原理及应用 (3)

实验二电容式传感器的原理及应用 (8)

实验三光纤传感器原理及应用 (11)

实验四电涡流和磁电传感器原理及应用 (14)

实验一 电阻应变片的原理及应用

一、实验目的：

1. 了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。

2. 比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。

3. 了解全桥测量电路的优点。

二、实验设备：

双杆式悬臂梁应变传感器、托盘、砝码、数显电压表、±5V 电源、差动放大器、电压放大器、万用表。

三、实验原理：

㈠ 单臂电桥实验

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

ε⋅=∆k R

R

（1-1） 式中R

R

∆为电阻丝电阻相对变化； k 为应变灵敏系数； l l ∆=ε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组件。如图1-1所示，将四

个金属箔应变片（R1、R2、R3、R4）分别贴在双杆式悬臂梁弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随悬臂梁形变被拉伸或被压缩。

图1-1 双杆式悬臂梁称重传感器结构图

通过这些应变片转换悬臂梁被测部位受力状态变化，可将应变片串联或并联组成电桥。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图 1-2 所示 R6=R7=R8=R 为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压

R

R R

R E U ∆⋅+∆⋅=211/4

0 （1-2）

E 为电桥电源电压；

式 1-2表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为%10021⋅∆⋅-=R

R

L

图 1-2 单臂电桥面板接线图

㈡ 半桥性能实验

不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图1-3所示。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为

R

R

E k E U ∆⋅=⋅⋅=220ε （1-3） 式中R

R ∆为电阻丝电阻相对变化；

k 为应变灵敏系数；

l

l

∆=ε为电阻丝长度相对变化。

E 为电桥电源电压。 式 1-3表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

图1-3 半桥面板接线图

㈢全桥测量电路

全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图1-4，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

R

R

E U ∆⋅=0 （1-4）

式中E 为电桥电源电压。R

R

∆为电阻丝电阻相对变化；

式1-4表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。

图1-4 全桥面板接线图

四、实验内容与步骤

㈠单臂电桥实验

1．悬臂梁上的各应变片已分别接到调理电路面板左上方的 R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．按图 1-2 只接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，将“差动放大器”的输入端短接并与地相连， “电压放大器”输出端接数显电压表（选择 200mV 档），开启直流电源开关。将“差动放大器”增益电位器与“电压放大器”增益电位器调至最大位置（顺时针最右边），调节调零电位器使电压表显示为0V 。关闭直流开关电源。（两个增益调节的位置确定后不能改动）

3．按图1-2接好所有连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R6、R7、R8 构成一个单臂直流电桥。电桥输出接到“差动放大器”的输入端，电压放大器的输出接数显电压表。预热五分钟。

4．加托盘后调节Rw2使电压表显示为零（采用200mV 档）。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，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，记录实验数据填入表 1-1。

表1-1

重量（g）

电压(mv)

㈡半桥性能实验

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。

2．按图1-3 接好“差动放大器”和“电压放大器电路”。“差动放大器”调零，参考实验A步骤2。

3．按图1-3接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验㈠步骤4。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，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1-2。

表1-2

重量（g）

电压(mv)

㈢全桥测量电路

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，R1、R2、R3、R4均为应变片，可参考图1-1。

2．差动放大器调零，参考实验㈠步骤2。

3．按图1-4接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。

4．加托盘后电桥调零，参考实验㈠步骤4。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，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，填入下表。

表1-3

重量（g）

电压(mv)

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

㈠单臂电桥实验

1．根据实验所得数据计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）

2．计算单臂电桥的非线性误差δf1=Δm/y F.S ×100％。