实验一 金属箔式应变计性能

实验目的：

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。

实验原理：

  本实验说明箔式应变片及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，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。

   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、△R3/ R3、△R4/ R4 ，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1= R2= R3= R4=R，。

 实验所需部件：

     直流稳压电源+4V、应变式传感器实验模块、贴于主机工作台悬臂梁上的箔式应变计、螺旋测微仪、数字电压表

实验步骤：

1、连接主机与模块电路电源连接线，差动放大器增益置于最大位置（顺时针方向旋到底），差动放大器“+”“—”输入端对地用实验线短路。输出端接电压表2V档。开启主机电源，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，调零后模块上的“增益、调零”电位器均不应再变动。

（图1）

2、观察贴于悬臂梁根部的应变计的位置与方向，按图（1）将所需实验部件连接成测试桥路，图中R1、R2、R3分别为模块上的固定标准电阻，R为应变计（可任选上梁或下梁中的一个工作片），图中每两个节之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路。

将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于水平位置。

3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。调节模块上的WD电位器，使桥路输出为零。

4、用螺旋测微仪带动悬臂梁分别向上和向下位移各5mm ,每位移1mm记录一个输出电压值，并记入下表：

注意事项：

1、实验前应检查实验连接线是否完好，学会正确插拔连接线，这是顺利完成实验的基本保证。

2、由于悬臂梁弹性恢复的滞后及应变片本身的机械滞后，所以当螺旋测微仪回到初始位置后桥路电压输出值并不能马上回到零，此时可一次或几次将螺旋测微仪反方向旋动一个较大位移，使电压值回到零后再进行反向采集实验。

3、实验中实验者用螺旋测微仪进行位移后应将手离开仪器后方能读取测试系统输出电压数，否则虽然没有改变刻度值也会造成微小位移或人体感应使电压信号出现偏差。

实验十五  温度传感器—热电偶测温实验

实验原理：

由两根不同质的导体熔接而成的闭合回路叫做热电回路，当其两端处于不同温度时则回路中产生一定的电流，这表明电路中有电势产生，此电势即为热电势。

（图10）

图（10）中T为热端，To为冷端，热电势Et=

本实验中选用两种热电偶镍铬—镍硅（K分度）和镍铬—铜镍（E分度）。

实验所需部件：

K（也可选用其他分度号的热电偶）、E分度热电偶、温控电加热炉、温度传感器实验模块、位数字电压表（自备）

实验步骤：

1、观察热电偶结构（可旋开热电偶保护外套），了解温控电加热器工作原理。

温控器：作为热源的温度指示、控制、定温之用。温度调节方式为时间比例式，绿灯亮时表示继电器吸合电炉加热，红灯亮时加热炉断电。

温度设定：拨动开关拨向“设定”位，调节设定电位器，仪表显示的温度值℃随之变化，调节至实验所需的温度时停止。然后将拨动开关扳向“测量”侧，（注：首次设定温度不应过高，以免热惯性造成加热炉温度过冲）。

2、首先将温度设定在50℃左右，打开加热开关，（加热电炉电源插头插入主机加热电源出插座），热电偶插入电加热炉内，K分度热电偶为标准热电偶，冷端接“测试”端，E分度热电偶接“温控”端，注意热电偶极性不能接反，而且不能断偶，位万用表置200mv档，当钮子开关倒向“温控”时测E分度热电偶的热电势，并记录电炉温度与热电势E的关系。

3、因为热电偶冷端温度不为0℃，则需对所测的热电势值进行修正 

E（T，To）=E(T,t1)+E(T1,T0)

实际电动势＝  测量所得电势 ＋  温度修正电势

查阅热电偶分度表，上述测量与计算结果对照。

4、继续将炉温提高到70℃、90℃、110℃、130℃和150℃，重复上述实验，观察热电偶的测温性能。

注意事项：    

加热炉温度请勿超过200℃，当加热开始，热电偶一定要插入炉内，否则炉温会失控，同样做其它温度实验时也需用热电偶来控制加热炉温度。

因为温控仪表为E分度，加热炉的温度就必须由E分度热电偶来控制，E分度热电偶必须接在面板的“温控”端。所以当钮子开关倒向“测试”方接入K分度热电偶时，数字温度表显示的温度并非为加热炉内的温度。

实验十六  温度传感器——热电偶标定

实验原理：

以K分度热电偶作为标准热电偶来校准E分度热电偶，由于被校热电偶热电势与标准热电偶热电势的误差为

式e校测——被校热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值

  e标测——标准热电偶在标定点温度下测得的热电势平均值

  e标分——标准热电偶分度表上标定温度的热电势值

e校分——被校热电偶标定温度下分度表上的热电势值。

S标——标准热电偶的微分热电势

实验所需部件：

K、E分度热电偶、温控电加热炉、温度传感器实验模块、位数字电压表（自备）

实验步骤：

1、进行实验十五中1-2步骤，待设定炉温达到稳定时用位电压表200mv档分别测试温控（E）和测试（K）两支热电偶的热电势（需用钮子开关转换），每支热电偶至少测两次求平均值。

2、根据上述公式计算被测热电偶的误差，计算中应对冷端温度不为0℃进行修正。

3、分别将炉温升高，求被校热电偶的误差△e，并将结果填入下表：

附：K、E分度热电偶分度表及热电偶微分热电动势（塞贝克系数S）表

实验十七  温度传感器——铂热电阻

实验原理：

pt100铂热电阻的电阻值在0℃时为100Ω，测温范围一般为-200~650 ℃，铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，当温度在0℃≤T≤650℃时，RT=R0（1+AT+BT2）

式中RT——铂热电阻T℃时的电阻值

RO——铂热电阻在0℃时的电阻值

A——系数（=3.96847×10-31/℃）

B——系数（＝-5.847×10-71/℃2）

将铂热电阻作为桥路中的一部分在温度变化时电桥失衡便可测得相应电路的输出电压变化值。

实验所需部件：

铂热电阻（Pt100）、加热炉、温控器、温度传感器实验模块、数字电压表、水银温度计或半导体点温计（自备）

实验步骤：

1、观察已置于加热炉顶部的铂热电阻，连接主机与实验模块的电源线及传感器与模块处理电路接口，铂热电阻电路输出端VO接电压表，温度计置于热电阻旁感受相同的温度。

2、开启主机电源，调节铂热电阻电路调零旋钮，使输出电压为零，电路增益适中，由于铂电阻通过电流时产生自热其电阻值要发生变化，因此电路有一个稳定过程。

3、开启加热炉，设定加热炉温度为≤100℃，观察随炉温上升铂电阻的阻值变化及输出电压变化，（实验时主机温度表上显示的温度值是加热炉的炉内温度，并非是加热炉顶端传感器感受到的温度）。并记录数据填入下表：

注意事项：

加热器温度一定不能过高，以免损坏传感器的包装。

实验十八  温度传感器—PN结温敏二极管

实验原理：

半导体PN结具有良好的温度线性，根据PN结特性表达公式可知，当一个PN结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，温度每升高一度，PN结正向压降就下降2mv，利用PN结的这一特性就可以测得温度的变化。

实验所需部件：

温敏二极管、温度传感器实验模块、温控加热炉、电压表、温度计（自备）

实验步骤：

1、观察已置于加热炉上的温敏二极管，连接主机与实验模块的电源及传感器探头（二极管符号对应相接），温度计置于与传感器同一感温处，模块温敏二极管输出电路VO端接电压表。

2、开启加热电源，设定加热炉温度，拨动开关置“测量”档，观察随炉温上升VO 端电压的变化，并将结果记入下表：

实验十九   温度传感器——半导体热敏电阻

实验原理：

热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度升高而急剧下降这一特性制成的热敏元件。它呈负温度特性，灵敏度高，可以测量小于0.01℃的温差变化。图（11）为金属与热敏电阻温度曲线的比较。

（图11）

实验所需部件：

MF型热敏电阻、温控电加热器、温度传感器实验模块、电压表、温度计（自备）

实验步骤：

1、观察已置于加热炉上的热敏电阻，温度计置于与传感器相同的感温位置。

连接主机与实验模块的电源线及传感器接口线，热敏电阻测温电路输出端接数字电压表。

2、打开主机电源，调节模块上的热敏转换电路电压输出电压值，使其值尽量大但不饱和。

3、设定加热炉加热温度后开启加热电源。

4、观察随温度上升时输出电压值变化，待温度稳定后将V-T值记入下表：

得出用热敏电阻测温结果的结论。

注意事项：

热敏电阻感受到的温度与温度计上的温度相同，并不是加热炉数字表上显示的温度。而且热敏电阻的阻值随温度不同变化较大，故应在温度稳定后记录数据。

实验三十三   光纤传感器——位移测量

实验原理：

反射式光纤传感器工作原理如图（22）所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，一束作为接收，另一束为光源发射，近红外二级管发出的近红外光经光源光纤照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化。

（图22）

实验所需部件：

光纤（光电转换器）、光纤光电传感器实验模块、电压表、示波器、螺旋测微仪、反射镜片

实验步骤：

1、观察光纤结构：本实验仪所配的光纤探头为半圆型结构，由数百根导光纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。

2、连接主机与实验模块电源线及光纤变换器探头接口，光纤探头装上探头支架，探头垂直对准反射片（镀铬圆铁片），螺旋测微仪装上支架，以带动反射镜片位移。

3、开启主机电源，光电变换器V0端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射镜片（如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度使两平面吻合），此时V0输出≈0，然后旋动测微仪，使反射镜片离开探头，每隔0.2mm记录一数值并记入下表：

注意事项：

1、光纤请勿成锐角曲折，以免造成内部断裂，端面尤要注意保护，否则会使光通量衰耗加大造成灵敏度下降。

2、每台仪器的光电转换器（包括光纤）与转换电路都是单独调配的，请注意与仪器编号配对使用。

3、实验时注意增益调节，输出最大信号以3V左右为宜，避免过强的背景光照射。

实验三十四  光纤传感器——动态测量

实验所需部件：

光纤、光纤光电传感器实验模块、安装支架、反射镜片、转速电机、电压表、示波器、低频信号源

实验步骤：

1、利用实验三十三结果，将光纤探头装至主机振动平台旁的支架上，在圆形振动台上的安装螺丝上装好反射镜片，选择“激振I”，调节低频信号源，反射镜片随振动台上下振动。

2、调节低频振荡信号频率与幅值，以最大振动幅度时反射镜片不碰到探头为宜，用示波器观察振动波形，并读出振动频率。

3、将光纤探头支架旋转约700，探头对准转速电机叶片，距离以光纤端面居于特性曲线前坡的中点位置为好。

    4、开启电机调节转速，用示波器观察V0端输出波形，调节示波器扫描时间及灵敏度，以能观察到清晰稳定的波形为好，必要时应调节光纤放大器的增益。

仔细观察示波器上两个连续波形峰值的差值，根据输出特性曲线，大致判断电机叶片的平行度及振幅。

注意事项：

光纤探头在电机叶片上方安装后须用手转动叶片确认无碰擦后方可开启电机，否则极易擦伤光纤端面。

实验三十五  光纤传感器——转速测量

实验步骤：

1、紧接实验三十四，光纤端面垂直对准电机叶片，开启电机，示波器观察V0端输出电压波形并用电压/频率表2KHz档计数，电机转速=频率表显示值÷2。

2、如欲用机内设置的数据采集卡采集频率，则需将V0端输出信号送入TTL整形电路Vi端，F0端输出+5VTTL电平须与主机面板上的“转速信号入”口连接以供数采卡计数。

注意事项：

测转速时应避免强光直接照射叶片，以免信号过强造成放大电路饱和，必要时应该减小放大器增益。

主机上的电机所用直流电源为直流稳压电源-2V~-10V，实验完成后应及时将钮子开关复位以保证稳压电源（负电源）工作正常。

实验三十六  霍尔式传感器——直流激励特性

实验原理：

霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，当霍尔元件位于由两个环形磁钢组成的梯度磁场中时就成了霍尔位移传感器。

霍尔元件通以恒定电流时，就有霍尔电势输出，霍尔电势的大小正比于磁场强度（磁场位置），当所处的磁场方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。

（图23）

实验所需部件：

霍尔传感器、直流稳压电源（2V）、霍尔传感器实验模块、电压表、测微仪

实验步骤：

1、安装好模块上的梯度磁场及霍尔传感器，连接主机与实验模块电源及传感器接口，确认霍尔元件直流激励电压为2V，霍尔元件另一激励端接地，实验接线按图（23）所示，差动放大器增益10倍左右。

2、用螺旋测微仪调节精密位移装置使霍尔元件置于梯度磁场中间，并调节电桥直流电位器WD，使输出为零。

3、从中点开始，调节螺旋测微仪，前后移动霍尔元件各3.5mm，每变化0.5mm读取相应的电压值，并记入下表：

注意事项：

直流激励电压只能是2V，不能接+2V(4V)否则锑化铟霍尔元件会烧坏。

实验四十二  电涡流传感器——测转速实验

实验原理：

当电涡流线圈与金属被测体的位置周期性地接近或脱离时，电涡流传感器的输出信号也转换为相同周期的脉动信号。

实验所需部件：

电涡流传感器、电涡流传感器实验模块、测速电机、电压/频率表、示波器

实验步骤：

1、按实验四十一安装，将电涡流支架顺时针旋转约700，安装于电机叶片之上，线圈尽量靠近叶片，以不碰擦为标准，线圈面与叶片保持平行。

2、开启主机电源，调节电机转速，根据示波器波形调整电涡流线圈与电机叶片的相对位置，使波形较为对称。

3、仔细观察示波器中两相邻波形的峰值，如有差异则是电机叶片不平行或是电机振动所致，可利用实验三十九特性曲线大致判断叶片的不平行度。

4、用电压/频率表2KHz档测得电机转速，转速=频率表显示值÷2。