《传感技术》实验指导书柏芳艳编安徽理工大学机械工程学院实验中心
1 《传感技术》实验指导书 柏芳艳 编 安徽理工大学 机械工程学院实验中心
实验一箔式应变片性能一一单臂电桥一、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。二、实验原理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。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4R1/R1、AR2/R2、AR3/R3、AR4/R4，当使用一个应变片时，ZR=会；当二个应变2AR；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2片组成差动状态工作，则有ZR=R=R3=R4=R, ZR-4RR由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。三、实验所需部件直流稳压电源（土4V档）电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。四、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。如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零”位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。+4V南RR2WoCR3-4VR图(1)2.按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、R3、和Wp为
2 实验一 箔式应变片性能――单臂电桥 一、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。 二、实验原理 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。 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， R Δ R = ；当二个应变 片组成差动状态工作，则有 R R R 2Δ = ；用四个应变片组成二个差动对工作，且 R1＝R2 ＝R3＝R4＝R， R R R 4Δ = 。 由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。 三、实验所需部件 直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。 四、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。 如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居“零” 位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关 闭仪器电源。 图（1） 2．按图（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 ＋4V R R2 －4V R3 R1 WD ＋ － V
电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）直流激励电源为±4V。电压表置于20V。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。3.确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥Wp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，并列表位移mm电压V根据表中所测数据计算灵敏度S，S=AV/^X并在坐标图上做出V-X关系曲线五、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。六、思考题本实验电路对直流稳压电源有何要求，对放大器有何要求，实验二箔式应变片三种桥路性能比较一、实验目的1：测试应变梁变形的应变输出。2.比较各桥路间的输出关系。二、实验原理说明实际使用的应变电桥的性能和原理。已知单臂、半桥和全桥电路的>R分别为AR/R、24R/R、4AR/R。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E·R，电桥灵敏度Ku=V/AR/R，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E、1/2E和E.。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关
3 电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R 为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。 直流激励电源为±4V。电压表置于 20V。 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。 3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。 调整电桥 WD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。 位移 mm 电压 V 根据表中所测数据计算灵敏度 S，S＝△V／△X，并在坐标图上做出 V－X 关系曲线。 五、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。 六、思考题 本实验电路对直流稳压电源有何要求，对放大器有何要求。 实验二 箔式应变片三种桥路性能比较 一、实验目的 1．测试应变梁变形的应变输出。 2．比较各桥路间的输出关系。 二、实验原理 说明实际使用的应变电桥的性能和原理。 已知单臂、半桥和全桥电路的∑R 分别为△R/R、2△R／R、4△R／R。根据戴维南定理 可以得出测试电桥的输出电压近似等于 1/4·E·∑R，电桥灵敏度 Ku＝V／△R／R，于是对 应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为 1/4E、1/2E 和 E.。由此可知，当 E 和电 阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关
三、实验所需部件直流稳压电源（土4V档）电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。四、实验步骤1，在完成实验一的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图（1）中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。2.重复实验一中3-4步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。3.在同一坐标上描出V-X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。五、注意事项1：应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。2.直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。3.由于进行位移测量时测微头要从零-一→正的最大值，又回复到零，再-一负的最大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负的X的灵敏度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法实验三移相器实验一、实验目的：说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。R310KRs10KRi10KVxR4 10KVt65R62KCi 8800PR2C2 223W10K图（2）移相器电路二、实验原理：图（2）为移相电路示意图。SRCRF..RF该电路的团环增益G(S)=(1+R1+RCSR
4 三、实验所需部件 直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。 四、实验步骤 1．在完成实验一的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图（1） 中电桥固定电阻 R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。 2．重复实验一中 3－4 步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。 3．在同一坐标上描出 V－X 曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。 五、注意事项 1．应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差动形式。 2．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。 3．由于进行位移测量时测微头要从零－→正的最大值，又回复到零，再－→负的最 大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正△X 的灵敏度与负的△X 的灵敏 度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。 实验三 移相器实验 一、实验目的： 说明由运算放大器构成的移相电路的工作原理。 图（2）移相器电路 二、实验原理： 图（2）为移相电路示意图。 该电路的团环增益 (1 ) 1 ( ) 1 R1 RF RCS SRC R RF G S + + = − + R1 10K R4 10K R6 2K R5 10K R3 10K R2 10K V 入 V 出 C1 8800P W C2 223 6 5 2 3 1 7
把拉普拉氏算符换成频率域的参数，则得到：REW"R"C"+joRC(+RF)G(j@) =R,1+W?R?C2R,W?R?C?又改写为G(jo)=-RF+RFWRCRF(1+)-(1+0+jR,1+W?RC?RJ1+W?R?C2R,在实验电路中，常设定幅频特性G（jw）「=1,为此选择参数R1=RF=10KQ由上，R=20K2,则输出幅度与频率无关，闭路增益可简化为：G(j0)=-1-W’R'C?WRC"IW.RC.+/1+WAR'C?当R=2R1=2RRF时，1G（jw）1=1。由上式可以得到相频特性表达式：2W-Rctgy="-W"R"C?由tg中表达式和正切三角函数半角公式可以得到：2tg(当)2tg(1_ )2WRCtgy:1-W,R'C?1-tg*(-)1-tg (当)22因此可以得到相移山为：1-2arctg-'(WRC) = -2arctg wRC电阻R可以在很宽的范围内变化，当WRC很大时，相移山-一O，式中负号表示柜位超前，如将电路中R和C互换位置，则可得到相位滞后的情况。如果阻容网络Rc不变，则相移将随输入信号的频率而改变。三、实验所需部件：移相器、音频振荡器、双线示波器。四、实验步骤：1.音频振荡器频率、幅值旋钮居中，将信号（0°或180°均可）送入移相器输入端。2.将双线示波器两测试线分别接移相器输入输出端，调整示波器，观察波形。3，调节移相器“移相”旋钮，观察两路波形的相位变化。4.改变音频振荡器频率，观察不同频率时移相器的移相范围。5.根据移相器实际电路图分析其工作原理。五、注意事项：因为本实验仪中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障
5 把拉普拉氏算符换成频率域的参数，则得到： (1 ) 1 ω ( ω) 1 2 2 2 2 2 2 1 R RF W R C W R C j RC R RF G j + + + = − + 又改写为 (1 ) 1 (1 ) 1 ( ω) 1 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 R RF W R C WRC j R RF W R C W R C R RF G j + + + + + = − + 在实验电路中，常设定幅频特性︱G（jω）︱＝1,为此选择参数 R1=RF=10KΩ由上, R=20KΩ,则输出幅度与频率无关，闭路增益可简化为： 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 ( ω) W R C WRC j W R C W R C G j + + + − = − 当 R=2R1=2RRF 时，︱G（jω）︱＝1。由上式可以得到相频特性表达式： 2 2 2 2 1 2 ψ W R C W Rc tg − = − 由 tgΨ表达式和正切三角函数半角公式可以得到： 2 2 2 2 2 1 2 ) 2 ψ 1 ( ) 2 ψ 2 (1 ) 2 ψ 1 ( ) 2 ψ 2 ( ψ W R C WRC tg tg tg tg tg − = − − − = − = 因此可以得到相移ψ为： 2 ( ) 1 ψ 2 arctg 1 WRC WRC arctg − = − = − 电阻 R 可以在很宽的范围内变化，当 WRC 很大时，相移ψ－→O，式中负号表示相 位超前，如将电路中 R 和 C 互换位置，则可得到相位滞后的情况。如果阻容网络 Rc 不 变，则相移将随输入信号的频率而改变。 三、实验所需部件： 移相器、音频振荡器、双线示波器。 四、实验步骤： 1．音频振荡器频率、幅值旋钮居中，将信号（0°或 180°均可）送入移相器输入端。 2．将双线示波器两测试线分别接移相器输入输出端，调整示波器，观察波形。 3．调节移相器“移相”旋钮，观察两路波形的相位变化。 4．改变音频振荡器频率，观察不同频率时移相器的移相范围。 5．根据移相器实际电路图分析其工作原理。 五、注意事项： 因为本实验仪中音频信号由函数发生器产生，所以通过移相器后波形局部有些畸变， 这不是仪器故障