电磁学综合实验(学生).doc

电磁学综合实验基本要求（一）非平衡直流电桥的应用实验要求1. 学习与掌握用非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻的基本原理和操作方法。2. 学习与初步掌握非平衡电桥的设计方法；学习与掌握根据不同待测电阻值选择桥式。3. 在YJ-DZT-II电磁学综合实验平台上，用“非平衡直流电桥及应用模板”测量电阻在平衡点附近电阻的改变量R与电桥输出改变量U之间的关系，并用最小二乘法求灵敏度Su(Su =U/R)及相关系数。（二）电子秤设计在日常生活和生产中，电子秤已经得到了广泛的应用，电子秤是通过压力传感器,把被测量物体的质量转换成电信号输出,通过放大器放大后,由二次仪表直接显示出来.设计研究要求1.研究、测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度。2.根据应变式传感器的压力特性设计、制作一个电子秤，该电子秤应达到如下的技术指标:1）量程:0100. g。2）精度:在量程范围内,额定误差小于最大量程的1%。3）灵敏度: 1 g4）显示:电压输出0100. mV5）说明测量的原理,给出各组成部分的性能测试数据,证明能达到以上技术指标,写出设计研究总结报告。思考题：（查资料）1. 简述非平衡直流电桥的工作原理。2. 简述非平衡直流电桥的优缺点。3. 简述应变式压力传感器的工作原理。附录：（一）非平衡直流电桥的应用1非平衡电桥的工作原理非平衡电桥原理如图1所示：B、D之间为一负载电阻Rg，只要测量电桥输出Ug、Ig即可得到Rx值。电桥分类等臂电桥：R1=R2=R3=R4。输出对称电桥，也称卧式电桥：R1=R4=R，R2=R3=R,且RR。电源对称电桥，也称立式电桥：R1=R2=R，R3=R4=R，且RR。输出电压当负载电阻Rg，即电桥输出处于开路状态时，Ig=0，仅有电压输出，用U0表示，若后面接数字电压表或高阻抗放大器时属此种情况。根据分压原理，ABC半桥的电压降为US，通过R1、R4两臂电流为 （1） 则R4上的电压降为（2） 同理R3上的电压降为 （3） 输出电压U0为UBC与UDC之差 （4）满足条件 或者 （5）时，则电桥输出U0=0，即电桥处于平衡状态，式（5）就称为电桥平衡条件。为了测量的准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡。这样可使输出只与某一臂的电阻变化有关。若R1、R2、R3固定，R4为温度之函数Rt=R（t）=Rx，则当温度从tt+t时，R4R4+R，因电桥不平衡而产生的电压输出为 （6）若阻值变化很小，即RRi（i=1、2、3、4），则（6）式公母中含有R之项可以略去，室温t0时预调平衡，则（6）式变为 （7）由此可得三种电桥的输出为等臂电桥 （8） 卧式电桥 （9）立式电桥（10）显然，当RRi 时，三种电桥的输出均与成线性比例关系。特别要强调的一点是公式（7）-（10）中之R和R，均为预调平衡后的电阻值。测量到输出电压后，通过上述公式运算到R（x）/R或R（t），从而求得R（t）=R+R（t）。图2由（8）-（10）式可知，在R、R相同的情况下，等臂电桥、卧式电桥输出电压比立式电桥的输出电压高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通选择R、R来扩大测量范围，R、R差距愈大，测量范围也愈大。不平衡电桥实验模板如图2所示， UBD为电桥的输出端，用数字表可直接测量电桥的输出电压。2.实验步骤：(1) 用电阻箱代替Rt接入实验模板的电路中，调节R11使之为100.0,然后用导线连接Rt 与R11,接入5V的工作电压，用数字万用表测量UBD输出端电压,调节Rw使电桥平衡(UBD=0)。(2) 等量改变电阻箱数值0.51.0共10次，测出与各电阻对应的电桥输出电压UBD 。(3)用最小二乘法求出电压随电阻变化的灵敏度S(S=UBD/R)及相关系数。（二）电子秤的设计与制作在日常生活和生产中，电子秤已经得到了广泛的应用，电子秤是通过压力传感器,把被测量物体的质量转换成电信号输出,通过放大器放大后,由二次仪表直接显示出来.一、 原理和方法提示1压力传感器应变式压力传感器的结构如图1所示，主要由双孔平衡梁和粘贴在梁上的电阻应变片R1R4 组成，电阻应变片一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片等组成.应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如“310mm2，350”.R1R4R2R3UE图2R1R3R2R4图1敏感栅由直径约0.01mm-0.05mm高电阻系数的细丝弯曲成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合剂将其固定在基片上，基底应保证将构件上的应变准确地传送到敏感栅上去，故基底必须做得很薄（一般为0.03mm-0.06mm），使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起；另外，它还应有良好的绝缘性、抗潮性和耐热性。基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等.引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1mm-0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两端输出端相焊接，盖片起保护作用。在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的形变，从而使电阻随之发生变化。通过测量电阻值的变化可反映出外力作用的大小。压力传感器是将四片电阻分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面适当的位置，梁的一端固定，另一端自由用于加载荷外力F.弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1和R3亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R2和R4电阻减小。这样，外力的作用通过梁的形变而使四个电阻值发生变化，这就是压力传感器.应变片R1= R2= R3= R4 。3压力传感器的压力特性应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化。为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转化为电压或电流的变化。最常用的测量电路为电桥电路，由应变片组成的全桥测量电路如图2所示，当应变片受到压力作用时，引起弹性体的变形，使得粘贴在弹性体上的电阻应受片R1-R4的阻值发生变化，电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力。4传感器电源电压E与电桥输出电压U的关系改变传感器工作电压E，其输出电压U正比于工作电压E.5、电子秤的设计由于应变式压力传感器输出的电压仅为毫伏量级,如果后级采用数字电压表作为显示仪表.则应把荷重传感器输出的毫伏信号放大到相应的电压信号输出.整套装置的组成框图如图3所示荷重传感器显示屏信号放大力信号弹电信号弹图3电信号弹二、 实验设计内容要设计一台电子秤,首先要根据对测量所提出的精度和灵敏度的要求。对各组成部分的主要性能参数提出合理的要求,这一步属于总体方案设计阶段。在总体设计中,首先要分析这套测试装置中哪一部分是主要的关键部分,它的性能参数将对其他部分起关健的决定性的作用。就本课题而言。应变式压力传感器是关键部分,它的特性指标将对放大电路及显示仪表的选择起决定性的作用。因此,首先要研究和测量荷重传感器的特性指标。在实际问题中，哪一部分是关键并不是唯一的和一成不变的，需要根据所要解决的实际问题的具体要求和条件而定。 压力传感器的参数测试和性能研究 压力传感器灵敏度及线性即在某一定的供桥电压下，单位荷载变化所引起的输出电压变化，用Sp表示：Sp=U0/P实验中，不但要求出Sp值，还要求利用两个变量的统计计算法求输出电压U0和荷重P之间的相关系数，即线性度。 压力传感器电压灵敏度即在额定荷载下，供桥电压变化所引起的输出变化，用Sv表示，则Sv=U0/E同样，也要研究其线性，求其相关系数。.整机测定和调试把传感器、放大器和显示装置（采用适当量程和精度的数字电压表）连成一体，进行模拟测试，求物体重量变化与输出电压示值的关系，验证各项指标是否达到要求。.总结，写出研究测试报告。三、 基本使用方法：应变式压力传感器基本特性的测量1.压力传感器的压力特性的测量：(1) 按顺序增加砝码的数量（每次增加10g）至100g，分别测传感器的输出电压。（2）按顺序减去砝码的数量（每次减去10g）至0g，分别测传感器的输出电压。（3）用最小二乘法处理数据，求灵敏度Sp及相关系数。2. 压力传感器的电压特性的测量： 保持传感器的压力不变（如40g），改变工作电压分别为3.0V、3.5V、4.0V、4.5V、5.0V、5.5V、6.0V、6.5V、7.0V、7.5V，测量传感器电源电压E与电桥输出电压U的关系，用最小二乘法求灵敏度Sv及相关系数。100g传感器零点调节放大倍数调节放大器调零图43.应变式压力传感器实验模板如图4所示，R1R4应变式压力传感器的四个应变电阻，由R1R4等电阻组成的电压为V01,Rw1为零点调节。由R7R13、IC1等组成的差动放大器放大倍数由Rw2调节，输出的电压为V02。使用、调试方法：1） 用导线连接实验仪各电源插座和实验模板相对应的接线柱，并将100g传感器电缆线接入实验模板，打开电源预热15分钟。2）用导线短路放大器输入端，放大器的输出端与万用表电压档相连，调节“放大器调零”旋钮Rw2，使放大器输出电压为0.000V,去掉短路线用连接线将放大器的输入端与非平衡电桥的输出端相连。3）调节工作电压为1.5至2.5，在压力传感器秤盘上没有任何重物时，测量放大器的输出电压，调节“零点调节”Rw1