实验一　  金属箔式应变片——单臂电桥性能实验

一、实验目的

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。

二、实验仪器

双杆式悬臂梁应变传感器、电压温度频率表、直流稳压电源（±4V）、差动放大器、电压放大器、万用表（自备）

三、实验原理

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

                 （1-1）

式中 为电阻丝电阻相对变化；

为应变系数；

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元件。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。如图1-2信号调理电路所示，R5=R6=R7=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

           （1-2）

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L=。

图1-2 单臂电桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．悬臂梁上的各应变片已分别接到面板左上方的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”输出端接电压温度频率表（选择U），开启直流电源开关。将“差动放大器”的增益调节电位器与“电压放大器”的增益调节电位器调至中间位置（顺时针旋转到底后逆时针旋转5圈），调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。关闭“直流电源”开关。（两个增益调节电位器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R1接入“电桥”与R5、R6、R7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”的输出接电压温度频率表。预热两分钟。(直流稳压电源的GND1要与放大器共地)

4．将千分尺向下移动，使悬臂梁处于平直状态，调节Rw1使电压温度频率表显示为零（选择U）。

5．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表1-1。

表1-1

6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。

六、注意事项

实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

实验二　  金属箔式应变片——半桥性能实验

一、实验目的

比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。

二、实验仪器

同实验一

三、实验原理

不同受力方向的两只应变片（R1、R2）接入电桥作为邻边，如图2-1。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、应变系数也相同时，半桥的输出电压为

                                                        （2-1）

式中 为电阻丝电阻相对变化；

为应变系数；

为电阻丝长度相对变化；

为电桥电源电压。

式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。

图2-1 半桥面板接线图

四、实验内容与步骤

1．应变传感器已安装在悬臂梁上，可参考图1-1。

2．按图2-1接好“差动放大器”和“电压放大器”电路。“差动放大器”的调零，参考实验一步骤2。

3．按图2-1接好所有连线，将受力相反的两只应变片R1、R2接入电桥的邻边。

4．参考实验一步骤4。

5．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表2-1。

表2-1

6．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

1.根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。

六、思考题

半桥测量时非线性误差的原因是什么？

答：调零不精确，绝缘电阻过低也会造成应变片和试件之间的漏电而产生的误差

七、注意事项

    实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

实验三　  金属箔式应变片——全桥性能实验

一、实验目的

了解全桥测量电路的优点。

二、实验仪器

同实验一

三、实验原理

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3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出

Uo=        （3-1）

式中为电桥电源电压。

为电阻丝电阻相对变化；

式3-1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3-1 全桥面板接线图

四、实验内容与步骤

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．                按图3-1先接好“差动放大器”和“电压放大器”部分，“差动放大器”的调零参照实验一步骤2。

3．按图3-1接好所有连线，将应变片接入电桥，参考实验一步骤4。

4．移动千分尺向下移0.5mm，读取数显表数值，依次移动千分尺向下移0.5mm和读取相应的数显表值，直到向下移动5mm，记录实验数据填入表3-1。

表3-1

5．实验结束后，将千分尺向上旋转，使悬臂梁恢复平直状态，关闭实验台电源，整理好实验设备。

五、实验报告

1．根据实验所得数据绘制出电压—位移曲线，并计算其线性度。

2．比较单臂、半桥、全桥三者的特性曲线，分析他们之间的差别。

特线曲线越来越趋近线性

六、思考题

全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥？

答：可以

七、注意事项

    实验所采用的弹性体为双杆式悬臂梁称重传感器，量程较小。因此，加在传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！

实验十一 　霍尔传感器位移特性实验

一、实验目的

了解霍尔传感器的原理与应用。

二、实验仪器

霍尔传感器、测微头、电桥、差动放大器、电压温度频率表、直流稳压电源（±4V）

三、实验原理

根据霍尔效应，霍尔电势U_H=K_HIB，其中K_H为霍尔系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。

四、实验内容与步骤

1． 将悬臂架上测微头向下移动，使测微头接触托盘。按图11-1接线（将直流稳压电源的GND1与仪表电路共地），输出Uo接电压温度频率表。

2． 将“差动放大器”的增益调节电位器调节至中间位置。

3． 开启“直流电源”开关，电压温度频率表选择“V”档，手动调节测微头的位置，先使霍尔片处于磁钢的中间位置（数显表大致为0），再调节Rw1使数显表显示为零。

4． 分别向上、下不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表11-1。

表11-1。

图11-1 霍尔传感器位移接线图

五、实验报告

根据实验所得数据，作出U－X曲线。

实验十六  光纤传感器位移特性实验

一、       实验目的

了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。

二、实验仪器

Y型光纤传感器、测微头、反射面、差动放大器、电压放大器、电压温度频率表

三、实验原理

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图16-1所示，光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。

     

图16-1 反射式光纤位移传感器原理             图16-2 光纤位移传感器安装示意图

四、实验内容与步骤

1．                将千分尺下移，使其与托盘相接触，光纤传感器的安装如图16-2所示，光纤分叉两端插入“光纤插座”中。探头对准不锈钢反射面。按图16-3接线。

2．                调节光纤传感器的高度，使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定光纤传感器。

3．                将“差动变压器”与“电压放大器”的增益调节电位器调到中间位置。打开直流电源开关。

4．                将“电压放大器”输出端接到电压温度频率表（选择U），仔细调节调零电位器使电压温度频率表显示为零。

5．                旋动测微头，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔０.1ｍｍ读出一次输出电压Ｕ值，

填入下表。

表16-1

图16-3 光纤位移传感器接线图

五、实验报告

1.根据所得的实验数据，做出位移—电压曲线，确定光纤位移传感器大致的线性范围。

2.试总结在光纤传感器对位移的测量应用中被测物体的约束条件有哪些？

答：表面要干净，光洁度要好

六、注意事项

1.实验时，请保持反射面的清洁。

2.切勿将光纤折成锐角，保护光纤不受损伤。

第二篇：实验13

实验十三光纤传感器的位移特性实验

一、实验目的：

了解光纤位移传感器的工作原理和性能。

二、实验原理

本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y 型光纤，半园分布即双D 分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X 有关，因此可用于测量位移。

三．实验设备：

主机箱、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面。

四．实验步骤：

1、 根据图24 示意安装光纤位移传感器和测微头，二束光纤分别插入实验模板上的光电座(其内部有发光管D 和光电三极管T )中；测微头的安装、使用可参阅实验九附：测微头的组成与使用。其它接线接图24。

图24 光纤传感器位移实验接线图

2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。调节测微头，使光反射面与Ｙ型光纤头轻触；再调实验

模板上的RW、使主机箱中的电压表(显示选择开关打到20Ｖ档)显示为０Ｖ。

3、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm 读取电压表显示值，将数据填入表24。根据表24 数据画出实验曲线，计算测量范围1mm 时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。

五、实验数据记录表格：

六、数据处理：

X——V的曲线图如下：

计算系统灵敏度 S＝ΔU/ΔW=(1.47-0.57)v/(5.8-5.3)mm=1.8v/mm

所以直线方程为：U=1.8X，  结合图知偏离最大X（max）=2.69/1.8=1.494

非线性误差 δ，δ=4-1.494/4 ×100％=62.65

七、思考题

光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求？

答：由于光纤传感器是利用光的全反射原理工作的，它对于光路要求比较高， 故而，在使用光纤传感器时应该保证被测物体表面的光洁度，这样才能够使得 反射回光纤内的光强足够传感器。

八．教师评语和成绩：