检测与转换技术实验指导书

《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: 8426920总学时: 40 总学分: 2.5编写单位:测控技术与仪器系编写人:审核人:审批人:批准时间:年月日目录实验一箔式金属应变片性能及单臂、半桥、全桥性能比较与半导体应变片性能比较试验（实验代码1） (3)实验二热电式传感器——热电偶、热敏电阻测温试验（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） (8)实验四基LABVIEW的霍尔式传感器的直流激励特性综合实验（实验代码4） (11)实验五自创性实验（实验代码5） (13)附录1：成绩考核办法 (13)附录2：推荐教材、参考书 (13)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。

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R 1、R 2、R 3、R 4中，电阻的相对变化率分别为△R 1／R 1、△R 2／R 2、△R 3／R 3、△R 4／R 4，当使用一个应变片时，RΔR =∑；当二个应变片组成差动状态工作，则有R R R Δ2=∑；用四个应变片组成二个差动对工作，且R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R ，RRR Δ4=∑。

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。

如果 R 1＝R 2＝R 3＝R 4，则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：()σπεπρρρρεμL L E R R ==∆≈∆++=∆21应变灵敏系数()ERR K L B περρμε≈∆++=∆=/21/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。

＋－图1.1 单臂电桥测试原理图2．按图1.1将实验部件用实验线连接成测试桥路。

桥路中R 1、R 2、R 3、和W D 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W D 电位器，使测试系统输出为零。

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，向上和向下移动各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；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。

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2、X-V 曲线3、最大线性误差%100⨯∆=∙∠SF MAXV V ζ式中∠ζ为非线性误差。

︱MAX V ∆︱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。

S F V ∙满量程输出S F V ∙＝︱V H －V L ︱为上下限标称值之差的绝对值，此处下限VL ＝0所以S F V ∙＝VH 。

4、 灵敏度该位移某一位移下的输出电压灵敏度=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。

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？实验二热电式传感器——热电偶、热敏电阻测温试验一、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。

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. 比较热电偶和热敏电阻的测温特点、三、实验仪器、设备及材料热电偶、热敏电阻R T 、温度变换器、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）。

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t 0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）。

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，电阻值的相对变化量，可用下式表示为：2d d 1T BT R R T T T -==α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： )011(0T T B T T e R R -=式中R T 、R T 0分别为温度T 和T 0时的电阻值。

因此当温度变化时，热敏电阻阻值的变化将导致由运放组成的压/阻变换电路的输出电压变化，其关系可表示为： T TT R U R U =00 T T T R R U U 00= 式中U T 、U T 0分别为温度T 和T 0时的压/阻变换电路的输出电压值。

根据上面两式：1ln 110T R R B T T T +=1ln 110T U U B T T T += 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；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U t ；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；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t 1； E （t , to ） = E （t , t 1） + E （t 1 , to ） 实际电动势 测量所得电势 温度修止电动势式中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℃，t 1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R T 端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出U 0端的输出电压值尽可能大但不超量程，记录U R T 0值； 2) 用温度计测出环境温度，记录T 0值。