仪器与测量实验指导书

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1、仪器与测量实验指导书汕头大学工学院机电系摘录实验一 金属箔式应变片实验一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，掌握直流全桥电桥的工作原理及工作性能，理解电阻式传感器的工作原 理与工作特性，加深实际测量系统设计中桥式电路应用的认识。二、基本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。 金属的电阻表达式为：R = p（1）S当金属电阻丝受到轴向拉力F作用时，将伸长M ,横截面积相应减小AS ,电阻率因晶格变化等因素的 影响而改变Ap，故引起电阻值变化AR。对式（1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：AR = Al _AS + Ap（2）R / S p

2、式中的Al：为电阻丝的轴向应变，用表示，常用单位卩（1皿=1x10-6肌叽肌）。若径向应变为A%，电 阻丝的纵向伸长和横向收缩的关系用泊松比卩表示为AyT = -（%），因为A% =2（ a/y），则（2）式可 以写成：AR 二鱼（1 + 2 Q +如=（1 + 2 卩 +沁）=k岸（3）R lpAll l 0 l式（3）为“应变效应”的表达式。 k 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见， k 受两个0 0因素影响，一个是（1+2卩），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是Ap（pg），是材料的电阻率p随应变引起的（称“压阻效应”。对于金属材料而言，以前者为主，则k二1 + 2卩，对半导体，k

3、 00 值主要是由电阻率相对变化所决定。实验也表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成比 例。通常金属丝的灵敏系数k =2左右。0 用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变 形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化， 根据（3）式，可以得到被测对象的应变值 ，而根据应力应变关系：o 二 Es（4）式中O测试的应力；E材料弹性模量。可以测得应力值O。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以 用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。电阻应变

4、片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片， 金属薄膜应变片。三、需用器件与单元 传感器实验箱（一）中应变式传感器实验单元、砝码、智能直流电压表（或虚拟仪表中直流电压表）、15V电源、4V电源，传感器调理电路挂件。四、实验内容与步骤1应变片的安装位置如图 1-1 所示，应变式传感器已装在传感器实验箱（一）上，传感器中各应变片已接入模板的左上方的叫、R2、R3、R4，可用万用表测量R1=R2=R3=R4=350QoA 匸 L?,- C、门21:.1j 5 :卜ic： :2把 15V 直流稳压电源接入“传感器调理电路”实验挂箱，检查无误后，开启实验台面板上的直流 稳压电源开关，调节Rw3使之大致位于中

5、间位置（Rw3为10圈电位器），再进行差动放大器调零，方法为： 将差动放大器的正、负输入端与地短接，输出端Uo2接直流电压表，调节实验模板上调零电位器Rw4，使直 流电压表显示为零，关闭直流稳压电源开关。（注意：当Rw4的位置一旦确定，就不能改变。）3按图1-2接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边，接入电桥调零电位 器Rw1，直流电源4V（从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端Ui,检查接线无误后，合上主 控台电源开关，调节Rw1，使电压表显示为零。4在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw3,改变差动放大器的增益，使数显电压表显示0.020V 左右，读取数

6、显表数值，保持Rw3不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下 实验结果，填入表 1-1，关闭电源。表 1-1 电桥输出电压与所加负载重量值和非线性误差0 f1=A m/yFS X100%式中Am （多次测量时为平均值）为输出值与拟合直线的最大偏差：yFS 满量程输出平均值,此处为 200g。五、实验注意事项1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2. 电桥的电压为4V,绝不可错接成15V,否则可能烧毁应变片。六、实验报告要求 记录实验数据，并绘制出全桥时传感器的特性曲线，根据实验情况分析利用应变片进行电子秤应用的工 作原理。实验二 电感式传感器一

7、、实验目的： 通过电涡流传感器测量位移的工作原理和特性实验，理解电涡流传感器的工作原理和工作特性。二、实验仪器： 电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表、测微头。三、实验原理： 通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导 电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。1按图 2-1 安装电涡流传感器2在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平 面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。15lrKi按控制台左扯袪压|-I5v图2-2电涡流传感器接线图同_- 4-J5VDz

8、3. 传感器连接按图2-2,将电涡流传感器连接线接到模块上标有的两端，实验模块的输 出端Uo与数显单元输入端Ui相接。数显表量程切换开关选择电压20V,模块电源用连接导线从主控台 接入+15V电源。4.合上主控台电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结 果列入下表。五、实验报告要求1. 根据表中数据，画出 UX 曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点 并计算量程为 1mm、3 mm 及 5mm 时的灵敏度和线性度（可以用端点法或其它拟合直线）。2. 根据实验结果讨论电感式传感器的工作特性与适用工作环境。实验三 霍尔测速实验一、实验目

9、的应用霍尔组件进行测量转速实验，了解利用霍尔传感器实现转速测量的工作原理与工作特性。二、基本原理利用霍尔效应表达式：UH=KHIB，当被测圆盘上装有N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。HH每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用 3144E 开关型霍尔传感器，当转盘上的磁钢转到传感器正下方时，传感器输出低电平，反之输出高电平。三、需用器件与单元霍尔转速传感器、直流电源+5V,转动源224V、转动源电源、转速测量部分。四、实验步骤铀T电机_作平合图3-1霍耳传感器安装图1. 安装根据图3-1，霍尔传感器已安装于传感器支架 上

10、，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。2. 将+5V直流源加于霍尔转速传感器的电源端。3. 将霍尔转速传感器的输出接入信号发生器的测频端， 在信号发生器的面板上按下外测按钮和滤波按钮。4. 调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化，观 察频率计的频率变化。5. 调节转动源的输入电压，使转盘的转速发生变化，把 界面切换到示波器状态，观察并记录传感器输出波形的变化。五、注意事项1. 转动源的正负输入端不能接反，否则可能击穿电机里面的晶体管。2转动源的输入电压不可超过24V,否则容易烧毁电机。3. 转动源的输入电压不可低于2V，否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘，长时间也可能烧坏电机。六、实验报告要求

11、1.根据实验现象分析霍尔组件产生脉冲的原理，并根据实验现象讨论霍尔式传感器的工作特性与适用工 作环境。实验四 光电转速传感器实验一、实验目的： 了解利用光电转速传感器实现转速测量的工作原理与工作特性，进而加深对各种光电式传感器工作特性的 认识。一、实验目的了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、基本原理 光电式转速转速传感器有反射型和透射型两种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电管， 发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电信号，由于转盘上有相间的6 个孔， 转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。三、需用器件与单元 转动源、光

12、电传感器、直流稳压电源、频率/转速表。四、实验步骤1光电转速传感器已经安装在转动源上，如图4-1 所示。2. 将+5V直流源加于光电转速传感器的电源端。3. 将光电转速传感器的输出接到面板上的接到频率/转速表的“fin”4将面板上的2-24V输出电源调节到5V,接入转动电源处。5. 调节转动源的输入电压，使转盘的速度发生变化，观察转速表上转速的变化。6. 调节转动源的输入电压,使转盘的转速发生变化,把界面切换到示波器状态,观察传感器输出波形 的变化。五、注意事项1.转动源的正负输入端不能接反,否则可能击穿电机里面的晶体管。2转动源的输入电压不可超过24V,否则容易烧毁电机。3.转动源的输入电压

13、不可低于2V,否则由于电机转矩不够大，不能带动转盘，长时间也可能烧坏电机。六、实验报告要求1.根据实验现象讨论光电式传感器中旋转方向测量的实现方法，比较其与霍尔测速实验在不同工作环境 中应用的优劣。实验五 温度测量及控制实验一、实验目的了解热电阻或热电偶等温度传感器的工作原理和与工作特性，同时学习PID控制方法和原理，加深对各 式温度传感器工作特性的认识。二、基本原理PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器，属于正温度系数热敏电阻传感器，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(l+aT)其中a=0.00392, Ro为100Q

14、(在0C的电阻值)，T为摄氏温度依据 1821 年塞贝克发现的热电现象，即：当两种不同的导体或半导体接成闭合回路时，如果它们的两 端接点的温度不同，则在该回路中就会产生电流，这表明回路中存在电动势，称为塞贝克温差电势，简称热 电势。K型热电偶是以镍铬合金为正极，镍硅合金为负极的两导体的一端焊接而成的。这两根导体的焊接端 称为 K 型的热电极，其焊接端为热端，非焊接端为冷端。在进行温度测量时，将插入被测的物体介质中， 使其热端感受到被测介质的温度，其冷端置于恒定的温度下，并用连接导线连接电气测量仪表。由于两端所 处的温度不同，在回路中就会产生热电势，在保持冷端温度不变的情况下，产生的热电势只随其

15、热端温度而 变化，因此，用电气测量仪表测得热电势的数值后，便可求出对应的温度数值。由于这种合金具有较好的高 温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。K型热电偶能测量较高温度可长期测量1000度的高温，短期 可测到1200度。1. 系统框图控制系统的主要工作过程是：用户在人机界面上设置目标温度及各个控制参数，热电偶测量被控对象 的温度信号，经过EM231热电偶模拟量输入模块转换为标准的数字量，PLC作出相应的数字处理，并进 行PID控制的运算。在固态继电器输出方式下通过输出过程映像寄存器发出PWM波来驱动固态继电器控 制加热器工作。在调压模块输出方式下通过模拟量输出模块EM232驱动调压模块控制

16、加热器工作。2. 固态继电器调压原理1. 上升时间 tr2. 峰值时间 tp3. 超调量 Mp 在本实验中，超调量为最大偏差/设定温度，为百分比形 式。4. 调整时间 ts 在本实验中，不需要测量调整时间（稳定时间）。三、实验内容和步骤在实验室使用的是一个1000W的加热器，加热水量为600mL。为了节省实验时间我们首先将设定温度 设置为 60度，学生得到了60度时的各个测量参数之后，直接从60度加热到80度，再次测量80度时的各 个测量参数。1.进入触摸屏“PID加热控制”，设置合适的PID参数，点击“加热”按钮开始加热。2进入触摸屏“过程曲线监控”或者“过程变量监控”对加热过程进行监控，摘

17、抄数据。3. 同时在电脑Setp 7 MicroWIN软件上监控。在菜单栏“工具”调出“PID调节控制面板”，这个曲线 可以保存无数个点，能完整地显示整条温度曲线，方便截图。4. 操作并填写下表 1 实验数据：表1实验过程相关数据设定参数由60度到80度测量参数KpTi（分）Td（分）最大偏差（度）超调量上升时间（秒）峰值时间（秒）820880208040804. 利用温控系统设计不同的目标温度，测量PT100热电阻在不同温度下的阻值，分析其工作原理。表 2 PT100 实验测量数据温度（C）阻值（Q）四、思考题1. 根据实验结果讨论热电偶和热电阻传感器的工作原理和应用特性.2. P（增益Kp）和Ti（积分时间）参数对加热控制效果有何影响？3. 增益越大，上升时间就越短吗？如果不是，什么原因导致了这种误差。