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传感器和检测技术实验指导书 (第二版)

电气工程学院

华亮 陈锋 张齐 沈申生 2007年1月

目 录

实验一 箔式应变片直流电桥实验----------------------------------3 实验二 移相器和相敏检波器实验----------------------------------9 实验三 电涡流式传感器的应用-------------------------------------13 实验四 差动变压器传感器的性能与标定-------------------------18 实验五 温度检测系统的设计----------------------------------------22 附录：CSY10型传感器实验仪的使用说明------------------------------25

实验一 箔式应变片直流电桥实验

一、实验目的

1. 了解电阻式金属箔应变片传感器的物理原理及其结构和粘贴方式。 2 研究利用金属箔应变片构成的（单臂、双臂、四臂）直流电桥的工作原理。 3. 通过应变梁的变形，测试金属箔应变片构成的（单臂、双臂、四臂）直流电桥的输出响应。比较各种桥路的输出关系，验证各种桥路的工作原理及单臂、双臂、全桥的输出响应灵敏度之间的关系。

4. 综合应用应变片传感器和直流电桥，设计位移或压力检测系统，并进行测量和标定。 二、实验原理

应变片是最常用的测力传感元件,它牢固地粘贴在测试应变体（如悬臂梁、应变筒、应变柱等）表面，测量时,元件受力发生形变，应变片的敏感栅随即变形，其电阻值发生相应的微量变化。将应变片作为直流电桥的桥臂，直流电桥输出接运算放大器电路，将其转换成电压或电流信号输出。

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电桥电路是最常用的非电量（电阻、电容）电测电路中的一种，当桥臂四个电阻R1＝R2＝R3＝R4＝R或桥路对臂电阻阻值的乘积相等时，电桥平衡，电桥输出为零。桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4的相对变化?i分别为?1=△R1／R1、?2=△R2／R2、?3=△R3／R3、?4=△R4／R4。若定义电桥桥臂电阻的相对变化?为电桥的四个桥臂电阻的相对变化的绝对值之和，即????i?? 图1 直流电桥结构

?Ri。 Ri 那么，当平衡电桥（R1＝R2＝R3＝R4＝R）的一个桥臂电阻使用应变片时，称为单臂桥，单臂桥的桥臂电阻的相对变化为????i??R。当二个桥臂电R阻使用应变片，并组成差动工作状态（二相邻桥臂电阻变化量符号相反，绝对值相等如△R1=-△R3，或相对桥臂电阻变化量符号相同，绝对值相等如△R1=△R4）时，称为双臂桥或半桥，半桥的桥臂电阻的相对变化为?=??i?2?R。R使用四个应变片组成二个差动对工作时，称为全桥，全桥的桥臂电阻的相对变

4ΔR。根据戴维南定理可以归纳出直流电桥（单臂桥、半桥、REE全桥）的输出电压为U=?=??i。定义电桥的相对灵敏度Ku为桥输出电

44?R压与桥臂电阻相对变化?的比值，即Ku＝U／，于是单臂、半桥和全桥的

R11电压灵敏度S分别为E、E和E。由此可知，单臂桥，半桥，全桥电路的灵

42化为?=??i?敏度依次成倍增大。综上所述，可以推断：当电源电压和桥臂电阻相对变化一定时，电桥输出电压及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无相关性。

本实验中，应变片粘贴在实验仪的悬臂梁上，旋动测微头，带动悬臂梁悬空端上下运动的位移为?X，由此致使应变片的阻值发生微量变化，将电桥输出接入差动放大器转换成电压信号输出，用数字电压表显示该输出电压的值。电桥灵敏度S可以用下式S=△V/△X计算。 三、实验器材

直流稳压电源（±4V档）、用于组成电桥的电阻、差动放大器、带箔式应变片的悬臂梁、测微头、称重砝码、电压表。

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四、实验内容

单臂桥，半桥，全桥的测量电路如下列图3、图4、图5所示 1、差动放大器调零

开启仪器总电源及正负15V电源，差动放大器增益置于最大（即将增益旋钮顺时针方向旋到底），差动放大器的“＋、－”输入端用专用导线对地短接。输出端与数字电压表连接，用“调零”电位器D调整差动放大器的输出电压,使其显示为零，然后拔除连接导线。在后续的实验过程中, 差动放大器调零后的电位器旋钮务必锁定,不能动弹。

注: 如使用毫伏表，则首先将该表输入端对地短路，调整毫伏表“调零”电位器，使其表针指向“零”位。拔掉短接导线，指针偏离零位，毫伏表是有源指针式电压表，所以输入端悬空时输出端漂移纯属正常现象。

图2 实验所用的部分器件

2、验证单臂电桥的灵敏度

⑴ 关闭仪器总电源。所用部分器件如图2所示。（注意事项：电桥面板上四个标

虚线的电阻并不存在，仅仅为搭桥提供插座。差放的增益不宜太大，以减小运放漂移。电压显示在做桥路实验时一般以指针毫伏表较为直观。更换应变片时应将直流稳压源断开。）

按图3所示在实验仪上连线，创建单臂电桥测试电路。桥路中R2、R3、R4、为电桥中的固定电阻,WD为直流电桥调平衡电位器，R1为应变片（设为拉应变）。单臂电桥激励接直流电源±4V。

图3 单臂电桥测量电路

⑵ 旋转悬臂梁上测微头微分筒，使其示值在10mm处，以便可以上下拉动悬臂梁的悬空端。旋松测微头支架的横向紧固螺丝，将测微头的测杆吸紧在悬臂梁前端的永久磁钢上，并上下调节使悬臂梁处于基本水平状态,然后拧紧横向螺丝，锁定悬臂梁处于基本水平状态的位置。

⑶ 确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电位器WD，使测试系统输出为零。

⑷ 以悬臂梁水平状态下电路输出电压等于零为起点，旋动测微头，带动悬臂梁作向上运动，测微头每移动1mm，就在下列表中记录悬臂梁的位移和数字电压表的示值，向上移动到6mm止；旋动测微头，悬臂梁回到水平状态下电路输

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