《感測器與檢測技術》
實驗報告
姓名學號
院系：儀器科學與工程學院專業： 測控技術與儀器
實驗室： 機械樓5樓同組人員
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感測器第一次實驗
實驗一金屬箔式應變片——單臂電橋效能實驗
一、實驗目的
了解金屬箔式應變片的應變效應及單臂電橋工作原理和效能。
二、基本原理
電阻絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值發生變化，這就是電阻應變效應。
金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝製成的應變敏感元件，通過它反映被測部位受力狀態的變化。電橋的作用是完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態。單臂電橋輸出電壓 ，其中k為應變靈敏係數，為電阻絲長度相對變化。
三、實驗器材
主機箱、應變感測器實驗模板、托盤、砝碼、萬用表、導線等。
四、實驗步驟
1. 根據接線示意圖安裝接線。
2. 放大器輸出調零。
3. 電橋調零。
4. 應變片單臂電橋實驗。
測得資料如下，並且使用matlab的cftool工具箱畫出實驗點的線性擬合曲線：
系統靈敏度 (即直線斜率)，非線性誤差
五、思考題
單臂電橋工作時，作為橋臂電阻的應變片應選用：（1）正（受拉）應變片；（2）負（受壓）應變片；（3）正、負應變片均可以。
答：（3）正、負應變片均可以。因為是單臂工作，所以對工作臂的應變片應該沒有正負要求，可以調成工作臂的位置或輸出電壓接線方向，使電壓表測得正電壓值。
實驗三金屬箔式應變片——全橋效能實驗
一、實驗目的
了解全橋測量電路的優點
二、基本原理
全橋測量電路中，將受力方向相同的兩應變片接入電橋對邊，相反的應變片接入電橋鄰邊。當應變片初始阻值r1=r2=r3=r4、其變化值時，其橋路輸出電壓。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差都得到了改善。
三、實驗器材
主機箱、應變感測器實驗模板、托盤、砝碼、萬用表、導線等。
四、實驗步驟
1.根據接線示意圖安裝接線。
2.放大器輸出調零。
3.電橋調零。
4.應變片全橋實驗
資料記錄如下表所示，並且使用matlab的cftool工具箱畫出實驗點的線性擬合曲線：
系統靈敏度v/kg (即直線斜率)，非線性誤差δ= = ，可見全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，且非線性度下降。
五、思考題
1.測量中，當兩組對邊電阻值r相同時，即r1=r3，r2=r4，而r1≠r2時，是否可以組成全橋：（1）可以；（2）不可以。
答：（2）不可以。電橋平衡條件為：r1r3=r2r4。
2.某工程技術人員在進行材料拉力測試時在棒材上貼了兩組應變片，能否利用四組應變片組成電橋，是否需要外加電阻。
答：左圖中，2列2行共4個應變片對稱分布於測試棒上，檢測試件橫向拉力，如果已知試件泊松比則可知試件縱向應變。任取一行2個應變片接入電橋一臂作為工作臂，或者接入電橋對臂，選取外加電阻使電橋平衡；
右圖中，左邊一列應變片檢測試件縱向拉力，左邊一列檢測橫向，可以選取左邊一列接入電橋一臂，或者接入電橋對臂，選取外加電阻使電橋平衡，根據泊松比算出試件的縱向應變。
3.金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋效能比較
比較單臂、半橋、全橋輸出時的靈敏度和非線性度，根據實驗結果和理論分析，闡述原因，得出相應的結論。
答：根據實驗結果可知，全橋的靈敏度最高，線性度最好。
理論上，靈敏度： 單臂 ，半橋 ，全橋 。
非線性度：單臂（k為應變計靈敏係數），
半橋 ，全橋 。
全橋的輸出特性為相鄰臂為和，相對臂為差，其和差特性能消除非線性誤差。。
實驗五差動變壓器的效能實驗
一、實驗目的
了解差動變壓器的工作原理和特性。
二、基本原理
差動變壓器由乙隻初級線圈和二只次級線圈及乙個鐵芯組成，根據內外層排列不同，有兩段式和三段式，本實驗採用三段式。
當被測物體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級線圈和次級線圈之間的互感發生變化促使次級線圈感應電勢產生變化。將兩隻次級反向串接，引出差動電勢輸出。其輸出電勢反映出被測物體的移動量。
三、實驗器材
主機箱、差動變壓器、差動變壓器實驗模板、測微頭、雙蹤示波器、萬用表、導線等。
四、實驗步驟
1.按照接線圖連線線路。
2.差動變壓器l1的激勵電壓從主機箱中的音訊振盪器的lv端引入，音訊振盪器的頻率為4~5khz，本次實驗選取4561hz，輸出峰峰值為2v。
3.鬆開測微頭的緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使變壓器次級輸出的vp-p較小。然後擰緊螺釘，仔細調節測微頭的微分筒使變壓器的次級輸出vp-p為最小值（零點殘餘電壓，約為0.
035v），定義為位移的相對零點。
4.從零點開始旋動測微頭的微分筒，每隔0.2mm（微分筒轉過20格）從示波器上讀出示波器的輸出電壓vp-p，記入**中。乙個方向結束後，退到零點反方向做相同的實驗。
5.根據測得資料畫出vop-p —x曲線，做出位移為±1mm、±3mm時的靈敏度和非線性誤差。
資料**如下：
實驗曲線如下：
位移為1mm時， 靈敏度為122.136v/m，非線性度δ= =；
位移為-1mm時，靈敏度為122.5v/m，非線性度δ= =
差動式變壓器使用了差動式次級線圈，使輸出的非線性較好。
五、思考題
1.用差動變壓器測量，振動頻率的上限受什麼影響？
答：受自感線圈的自感係數、互感線圈的互感系數、導線的集膚效應和鐵損等的影響，電路系統存在乙個上限頻率，若輸入頻率過大會導致輸出電壓幅度變小，感測器靈敏度下降。
2.試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？
答：它們都利用電磁感應原理工作。但是差動式變壓器初級線圈和次級線圈的互感系數是可變的，當鐵芯處於中間位置時，差動次級輸出為0，當鐵芯上下移動，互感系數變化，根據次級輸出可以計算出鐵芯的位移，由此可以測量諸如位移、速度等物理量；而一般的電源變壓器互感系數固定，主要用於把輸入低壓變為高壓輸出或把輸入低壓變為高壓輸出。
感測器第二次實驗
實驗九電容式感測器的位移實驗
一、實驗目的
了解電容式感測器結構及其特點。
二、基本原理
利用電容c＝εa／d的關係式，通過相應的結構和測量電路，可以選擇ε、a、d三個引數中保持二個引數不變，而只改變其中乙個引數，就可以組成測介質的性質（ε變）、測位移（d變）和測距離、液位（a變）等多種電容感測器。
本實驗採用的感測器為圓筒式變面積差動結構的電容式位移感測器，如圖3-6所示：由二個圓筒和乙個圓柱組成。
設圓筒的半徑為r；圓柱的半徑為r；圓柱的長為x，則電容量為c=ε2 ｘ／ln(r／r)。 圖中c1、c2是差動連線，當圖中的圓柱產生 x位移時，電容量的變化量為 c=c1－c2=ε2 2 x／ln(r／r)，式中ε2 、ln(r／r)為常數，說明 c與位移 x成正比，配上配套測量電路就能測量位移。
圖3-6 電容式位移感測器結構
三、實驗器材
主機箱、電容感測器、電容感測器實驗模板、測微頭。
四、實驗步驟
圖3-7 電容感測器位移實驗原理圖
1、按圖3-8將電容感測器裝於電容感測器實驗模板上，實驗模板的輸出ｖo1接主機箱電壓表的ｖin。
2、將實驗模板上的rw調節到中間位置（方法：逆時針轉到底再順時傳３圈）。
3、將主機箱上的電壓表量程（顯示選擇）開關打到２ｖ檔，合上主機箱電源開關； 旋轉測微頭改變電容感測器的動極板位置使電壓表顯示０ｖ ，再轉動測微頭（向同乙個方向）5圈，記錄此時測微頭讀數和電壓表顯示值，此點為實驗起點值；
此後，反方向每轉動測微頭1圈即△ｘ=０.５ｍｍ位移讀取電壓表讀數，共轉10圈讀取相應的電壓表讀數（單行程位移方向做實驗可以消除測微頭的回差）； 將資料填入表3-7並作出ｘ—ｖ實驗曲線。
表3-7 電容感測器位移與輸出電壓值
實驗曲線如下
4、根據表3-7資料計算電容感測器的系統靈敏度s和非線性誤差
， ，；
五、思考題
試設計利用ε的變化測穀物濕度的感測器原理及結構？能否敘述一下在設計中應考慮哪些因素？
答：由於是測穀物的濕度的，當此感測器放在穀物裡面時，根據穀物的呼吸作用，用感測器檢測呼吸作用的水分程度，從而判斷出穀物的濕度，當電容的s與d為恆定值時c=f(ε),稻穀的含水率不同，介電常數也不同，可確定穀物含水率，感測器為兩個板，穀物從感測器之間穿過。在設計過程中應考慮：
感應器是否於穀物接觸的充分、穀物是否均勻的從感測器之間穿過，而且要注意直板感測器的邊緣效應。
感測器測控電路實驗報告
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