东南大学自动化学院
实 验 报 告
课程名称： 现代检测技术
实验1、3、5、8、9
实验名称： 现代检测技术
院（系）： 自动化 专 业： 自动化
姓 名： 谢嘉宇 学 号： 08011209
实验室： 实验室 实验组别：
同组人员： 周宸楠 叶占伟 实验时间： 2013年 11月 16日
评定成绩： 审阅教师：
目 录
一．金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
二．金属箔式应变片——全桥性能实验
三．差动变压器的性能实验
四．差动变压器的应用—振动测量实验
五．电容式传感器的位移实验
一． 实验目的和要求
1、了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。
3、了解全桥测量电路的优点。
5、了解差动变压器的工作原理和特性。
8、了解差动变压器测量振动的方法。
9、了解电容式传感器结构及其特点。
二． 实验原理
1、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：ΔR／R＝Kε。式中：ΔR／R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，ε=ΔL/L 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， 通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4。
3、全桥测量电路中， 将受力方向相同的两应变片接入电桥对边， 反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值 R1＝R2＝R3＝R4、其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4 时，其桥路输出电压 Uo3＝KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。
5、差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成， 根据内外层排列不同， 有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移， 从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化（一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少）。 将两只次级反向串接（同名端连接）， 引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。
8、由差动变压器性能实验基本原理可知， 当差动变压器的铁芯连接杆与被测体连接时就能检测到被测体的位移或振动。
9、利用电容C＝εA／d的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传感器。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图3-6 所示：由二个圆筒和一个圆柱组成。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2pｘ／ln(R／r)。图中C1、C2 是差动连接，当图中的圆柱产生ΔX 位移时，电容量的变化量为ΔC=C1－C2=ε2p2ΔX／ln(R／r)，式中ε2p、ln(R／r)为常数，说明ΔC 与位移ΔX 成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
三． 实验方案与实验步骤
实验一：
1、根据图3 工作原理图、图2 接线示意图安装接线。
2、放大器输出调零
将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开， 再用导线将两输入端短接(Vi＝0)； 调节
放大器的增益电位器 RW3 大约到中间位置(先逆时针旋到底， 再顺时针旋转 2 圈)；将主机箱电
压表的量程切换开关打到 2V 档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器
RW4，使电压表显示为零。
3、电桥调零
拆去放大器输入端口的短接线， 将暂时脱开的引线复原。 调节实验模板上的桥路平衡电位
器 RW1，使电压表显示为零。
4、应变片单臂电桥实验
在应变传感器的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（或 500 g）砝码加完。实验结果填入表1，画出实验曲线。
5、根据表 2-1 计算系统灵敏度 S＝ΔU/ΔW（ΔU 为输出电压变化量，ΔW 为重量变化量）
和非线性误差 δ。
δ=Δm/yFS ×100％
式中Δm 为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS 为满量程输出平
均值，此处为 200g（或 500g） 。实验完毕，关闭电源。
6、利用虚拟仪器进行测量。
实验三：
1、根据图4工作原理图、图5接线示意图安装接线。
2、差动放大器调零
将实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，用导线将两输入口短接(Vi＝0)； 调节放
大器的增益电位器 R W3 大约到中间位置(先逆时针旋到底， 再顺时针旋转 2 圈)；将主机箱电压
表的量程切换开关打到 2V 档， 合上主机箱电源开关； 调节实验模板放大器的调零电位器 R W4，
使电压表显示为零。
3、电桥调零
恢复实验模板上放大器的两输入口接线，调节实验模板上的桥路平衡电位器 RW1，使主
机箱电压表显示为零。
4、应变片全桥实验
在应变传感器的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（或 500 g）砝码加完。
5、计算灵敏度 S＝U／W，非线性误差δ。实验完毕，关闭电源。
6、利用虚拟仪器进行测量。
图4 全桥工作原理图
图5 应变传感器实验模板、接线示意图
实验五：
图8 差动变压器性能实验模板、接线图
1、按图8接线。
将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，L1 为初级线圈；L2、L3 为次级线圈；＊号为同名端。
2、差动变压器的原边L1的激励电压从主机箱中音频振荡器的 Lv 端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4～5KHz（可用主机箱的频率表输入 Fin 来监测）；调节输出幅度峰峰值为 Vp-p＝2V（可用示波器监测：X 轴为 0.2ms/div）。
3、松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头的安装套使差动变压器的次级输出（示波器第二通道）波形 Vp-p 为较小值（变压器铁芯大约处在中间位置）。拧紧紧固螺钉， 仔细调节测微头的微分筒使差动变压器的次级输出波形 Vp-p 为最小值（零点残余电压），并定为位移的相对零点。这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一个方向位移为负。
4、从零点（次级输出波形Vp-p为最小值）开始旋动测微头的微分筒，每隔 0.2mm （可取10～25 点）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入表 3-1。一个方向结束后，再将测位头退回到零点反方向做相同的位移实验。
从零点决定位移方向后，测微头只能按所定方向调节位移，中途不允许回调，否则，由于测微头存在机械回差而引起位移误差。实验时每点位移量须仔细调节，绝对不能调节过量而回调，如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。当一个方向行程实验结束， 做另一方向时，测微头回到次级输出波形 Vp-p 最小处时它的位移读数有变化（没有回到原来起始位置），这是正常的。做实验时位移取相对变化量为定值， 只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。
5、 实验过程中注意差动变压器次级输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压根据表3-1画出Vop-p－X曲线，作出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭电源。
实验八：
图9 差动变压器振动测量安装、接线图
1、将差动变压器按图9卡在传感器安装支架的 U 型槽上，并拧紧差动变压器的夹紧螺母；调整传感器安装支架， 使差动变压器的铁芯连杆与振动台中心点磁钢吸合， 并拧紧传感器安装支架压紧螺帽；再调节升降杆使差动变压器铁芯大约处于线圈的中心位置。
2、按图接线，并调整好有关部分，调整如下：
（1）检查接线无误后， 合上主机箱电源开关，用频率表、 示波器监测音频振荡器 LV 的频率和幅值，调节音频振荡器的频率、幅度旋钮，使 Lv 输出 4～5KHz、Vp-p=2V 的激励电压。
（2）用示波器观察相敏检波器输出 （图中低通滤波器输出接的示波器改接到相敏检波器输出），调节升降杆（松开锁紧螺钉转动升降杆的铜套）的高度，使示波器显示的波形幅值为最小。
（3）仔细调节差动变压器实验模板的 RW1 和 R W2（交替调节）使示波器（相敏检波器输出）显示的波形幅值更小，基本为零点。
（4）用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使示波器显示的波形为一个接近全波整流波形。
（5）松手，整流波形消失变为一条接近零点线（否则再调节 R W1 和 R W2）。
（6）振动源的低频输入接上主机箱的低频振荡器，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示波器观察相敏检波器输出及低通滤波器输出波形。
3、保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率，用示波器观察低通滤波器的输出，读出峰峰电压值，记下实验数据。
4、根据实验结果作出梁的振幅～频率特性曲线，指出自振频率的近似值，并与实验四使用应
变片测出的结果相比较。
5、 保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样可得到振幅与电压峰峰值Vp-p 曲线（定性）。
6、注意事项：低频激振电压幅值不要过大，以免梁在自振频率附近振幅过大。实验完毕，关闭电源。
实验九：
图10 电容传感器位移实验原理图
1、按图11将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1 接主机箱电压表的Ｖin。
2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传３圈）。
3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到２ｖ档，合上主机箱电源开关；旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示０ｖ ，再转动测微头（向同一个方向）5 圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；此后，反方向每转动测微头1圈即△Ｘ=０.５ｍｍ位移读取电压表读数，共转10圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）。
图11 电容传感器位移实验安装、接线图
四． 实验设备与器材配置
1、主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
图1 应变式传感器安装示意图
如图1，将托盘安装到应变传感器的托盘支点上，应变式传感器（电子秤传感器）已安装在应变传感器实验模板上。传感器左下角应变片为 R1，右下角为 R2，右上角为 R3，左上角为 R4。当传感器托盘支点受压时，R1、R3 阻值增加，R2、R4 阻值减小。图 2-2，应变传感器实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片。没有文字标记的5个电阻是空的，其中 4 个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设的。传感器中 4 片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的 R1、R2、R3、R4和加热器上。可用万用表进行测量判别，常态时应变片阻值为 350Ω，加热丝电阻值为 50Ω左右。
图2 应变传感器实验模板、接线示意图
图3 单臂电桥工作原理图
3、主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
5、主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。
8、主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、移相器/相敏检波器/滤波器模板、振动源、示波器。
9、主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。
五． 实验记录（自行设计记录方式）
1、实验结果记录如下表：
绘制出电压与重量的关系曲线如下图所示
灵敏度： 
, 
因为实验测得的电压完全与重量呈线性关系，故，则非线性误差(60g)：
, yFS = 51mV
3、实验结果记录如下表：
绘制出电压与重量的关系曲线如下图所示
灵敏度： 
, 
拟合后：V = 0.99g - 6.4
因为实验测得的电压完全与重量呈线性关系，故，则非线性误差(g=80g)：
, yFS = 191
5、实验结果记录如下表：zero position : 11.00mm
负向： zero position: 11.00mm
绘制出Vop-p－X曲线如下图所示:
对X>0所测得的几组数据进行线性拟合，得:Vop-p=0.1785*X+0.0363；
对X<0所测得的几组数据进行线性拟合，得: Vop-p=-0.1959*X+0.0455；
+1m:
-1m:
+3mm:
-3mm:
-3mm由于实现数据未测故无法给出，抱歉。
8、测得的实验数据记录如下表：
振幅～频率特性曲线如下图所示
若按二次曲线拟合得： f = -0.0004*v^2 + 0.0097*v + 0.0482
自振频率按图读的近似值约为10Hz。
9、测得的实验数据记录如下表：convection = 0.104
通过最小二乘法拟合，得到拟合方程为:
V = ?9.7909X +103.6136
X-V曲线如图
通过计算，ΔV = -9.8333mV ΔX =1mm
因此系统灵敏度：= ?9.8333(mV / mm)
取x = 3mm时，Δm =1.2409
非线性误差：=2.18%
六． 思考题。
1、单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受
压）应变片（3）；正、负应变片均可以。
答：正负均可，单臂电桥对应变计的受力方向没限制，不管应变计受拉还是受压，其阻
值都会发生变化，从而使得桥路有电压输出。
3、1、测量中，当两组对边（如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：（1）可以；（2）不可以。
答：可以组成全桥电路
2、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图２-８，能否
如何利用四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图 2-8 受拉力时应变式传感器圆周面展开图
答：将这两组应变片按照两个不同方向贴在棒材上，利用两组不同的测量值即可组成一
个全路电桥，不需要外加电阻。
5、1. 用差动变压器测量较高频率的振幅，例如1KHz的振动幅值，可以吗？差动变压器测
量频率的上限受什么影响？
答：可以。与传感器的自感L的有关。
2．试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：差动变压器的工作原理类似一般电源变压器的作用原理，差动变压器在使用时采用
了两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互感相
同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同，由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出
电动势为零。
8、1、如果用直流电压表来读数，需增加哪些测量单元，测量线路该如何设计？
答：需要：运算放大器、整流电路及其外围电路。其中要采用线性整流电路来进行整流，
整流电路的构成是：一个将整流电路接到 反相运算放大器的反馈回路里并在此输出。
2、利用差动变压器测量振动，在应用上有些什么限制？
答：震动阻尼太大,受磁芯磁滞限制,灵敏度不高.不能测量高频震动。
9、试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑
哪些因素？
答：由于是测谷物的湿度的，当此传感器放在谷物里面时，根据谷物的呼吸作用，用传
感器检测呼吸作用的水分程度，从而判断出谷物的湿度，当电容的S与D为恒定值时C=f(ε),
稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，传感器为两个板，谷物从传感器
之间穿过。 在设计过程中应考虑：感应器是否于谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传
感器之间穿过，而且要注意直板传感器的边缘效应。
七． 实验总结。
在这里我先向老师道歉，由于早已和天道留学中介谈好签合同日，故当天实验我做的比较匆忙，而且时间上不允许我做最后一个实验，故最后一个实验我直接使用了周晨楠同学的数据。总体而言感觉这次的实验让我最大的收获是，关于matlab的使用，学会了plot()函数和a=polyfit(x,y,m)（m代表拟合次数）等命令，在做实验时，觉得现代检测技术的实验精密度很高，我们稍有不慎就容易造成很大的误差，所以应该认真做，有些实验原理也难以理解，所以做的时候会很蹩脚，这说明我们预习也不充分，以后这些都要改。