《非电量电测》课程实验指导手册l

非电量电测实验指导合肥工业大学计算机与信息学院钱朋安编印实验一：金属箔式应变片灵敏度测试(2学时)一、 实验目的了解金属应变片单臂、半桥、全桥电路的工作原理；验证单臂、半桥、全桥电路的性能及相互之间的关系。二、 实验原理应变片是最常用的测力传感元件。将应变片牢固地粘贴在测试体(悬臂梁)表面，则当悬臂梁受力发生形变时，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出进行显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种。在图1中，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻％,R2,R电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种。在图1中，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻％,R2,R3,R4中，通常取等臂电阻即R]=R=R=R=R，，相应地电阻增量为AR,AR,AR,AR电桥输出u； 4o3 4且R》AR(i=1,2,3,4)，电桥电源U,图1直流电桥电路，兰—竺地+丛］"RRRR)U(AR

4 3如果组成电桥的电阻%,R2,R,R4为同种材料应变片AR 234 =K・8R(1)则根据电阻应变效应，(2)式中，K是应变灵敏系数，各应变片电阻相对变化与应变8i(i=1,2,3,4)间有：AR“AR“AR“AR_TOC\o"1-5"\h\z—i=K.8，—2=K.8，—3=K.8，—4=K.8 (3)R 1R 2R 3R 4此时电桥输出U与应变8间具有一定的线性关系：丁UK( \ 〜、U=—足—8—8+8) (4)o4 12 3 4当桥臂仅使用一个应变片，如R接为R应变片(应变8)，其它三个臂接固定电阻，如图2所示，则电桥输出U近似表示为：oU=箜8 (5)o4当使用两个应变片组成差动状态，如将R固定电阻换为与R4应变片工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不衍的应变片，形成半桥，其输出：U=UK8 (6)用四个应变片组成两个差动工作：U=UK8 (7)且由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。

匕桥平衡网珞图匕桥平衡网珞图2直流电桥测量电路组成形式三、实验设备及单元仪表YL系列传感器系统实验仪。直流稳压电源、差动放大器、电桥、F/V表、双孔悬臂梁称重传感器、应变片、砝码、主、副电源。四、实验内容与步骤1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上、下两片梁的外表各贴两片受力应变片。2、差动放大器的调整(调零)：用连线将差动放大器的正(+)、负(-)、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口乂相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮，使F/V表显示为零，关闭主、副电源。3、单臂电桥测量：根据图1接线，R】、R2、R3为电桥单元的固定电阻；R4=RX为应变片。将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V表置20V档。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W】，使F/V表显示为零，等待数分钟后将F/V表置2V档，再调电桥W】(慢慢地调)，使F/V表显示为零。在传感器托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。重量(g)电压(mv)4、半桥测量：保持差动放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片，即取两片受力方向不同的应变片，形成半桥，调节电桥W】使F/V表显示为零，重复(3)过程，同样测得读数，填入下表：重量(g)电压(mv)5、全桥测量：差动放大器增益不变，将R1、R2两个固定电阻换成另两片受力应变片，接成一个直流全桥。组桥时要保证对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反，否则输出会互相抵消、成零值。调节电桥Wi同样使F/V表显示零。重复(3)过程，将所读数据填入下表：重量(g)电压(mv)五、 预习思考1、 本实验电路对直流稳压电源和放大器有何要求？2、 应变梁上下对应位置处的两应变片应变属性有何关系？电阻值变化特征如何？六、 实验报告要求根据实验内容、仪器、原理和线路，用表格列出实验记录数据。根据所得结果计算系统灵敏度S=AU/AW，AU为电压变化率，AW为相应的重量变化率;并在同一坐标上绘出输出特性U-W曲线，对结果进行比较分析和说明。实验注意事项：1、 在更换应变片时应将电源关闭。2、 在实验过程中如发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。3、 在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。4、 直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。5、 接全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向。实验二：热电偶测温原理（2学时）一、实验目的了解热电偶测温系统的组成和测温原理，加深对热电效应的理解；了解热电偶分度表的使用。二、实验原理热电偶测温是基于热电效应原理。两种不同的金属导体A和B组成一个闭合回路时，如果两端的温度不同（热端为T，冷端T），则在回路中产生一定大小的电流，其大小与两种材料的性质和接点温度有关0。上述回路电流是由于回路中存在热电势的结果，此电势大小为eT,t）=fT）—fT） （1）中间导体定律：将热电偶的两个接点中的T（自由端）断开，而接入第三导0体C时，如果C的两端温度相同（如均为T），则导体C的引入不会对回路总电势产生影响。由此，可以解决热电偶中总电势的检测问题，即只要用指示仪表作为第三导体C，就可以进行测量。而在实用中的另一个关键问题是冷端处理问题。我国标准化的热电偶的分度表均以自由端温度是T0=0°C为基础的。但在实际中自由端的温度不等于0°C，为此要进行修正和补偿。本实验采用计算修正法。其基本思路是：已知热电偶自由端温度T，为一已知值，则实际测得的热电势大小为ET,T）： "ET,T）=ET,T）—ET,T）ABnAB0 /A^\n0ET,T）=ET,TET,T）=ET,T）+E°（T,T） （3）AB0ABnABn0对（3）式中Eab&,T0）的值再此查热电偶分度表，得到温度值T。热电偶的测温系统原理图：热电偶的测温系统原理图：三、实验设备及单元仪表电加热源设备，YL系列传感器系统实验仪，常用热电偶，电压表及冰点槽，水银温度计（100C），接线板等辅件。四、实验内容与步骤1、按照上图接好线路，将热电偶的冷端置于冰点槽中（或室温稳定环境，此时需要用温度计测出环境温度），待几分钟后测量加热源的温度变化的电压值，并记录、填入如下的表格。

表1热电偶测量表EAB表1热电偶测量表EABTn热热' 电七...度'偶值2、由温度计测量的环境温度值，即T值，查分度表得EabT,0）大小。获取本实验依据热电偶测量输出电压的大小e\（T，T）,代入（3）式！得得EABT,0）后，查分度表（附表一），得到测量值T大小。"n B五、 预习思考1、 热电偶测量时能否直接外接毫伏表，就可以实现测量？2、 如果其自由端未放置在冰槽中，能否直接由输出读数查分度表，获取温度大小，能说明原因。3、 能否采用差动放大（假定放大倍数一定）来放大测量信号进而实现测量？六、 实验报告要求根据实验内容、仪器、原理和线路，用表格列出实验记录数据，并查表和进行结果的比较分析和说明。讨论对热电偶测温的认识。实验注意事项：注意加热器的温度控制；热电偶的极性。附表一：竦铭-（竦铭-竦铝）热电偶分度表（-50〜600°C）值分度号：K（自由端0°C）t端(C)0102030405060708090热电势（mv）—-0.00-0.39-0.78-1.16-1.53-1.8900.000.400.801.201.612.022.442.853.273.681004.104.514.925.335.736.146.546.947.347.742008.148.548.949.349.7510.1510.5610.9711.3811.7930012.2112.6213.0413.4613.8714.2914.7115.1315.5515.9740016.4016.8217.2417.6618.0918.5118.9419.3619.7920.2150020.6421.0721.4921.9222.3522.7723.2023.6224.0524.4860024.9025.3325.7526.1826.6027.0227.4527.8728.2928.71

实验三：光电传感器转速测量电路设计（2学时）一、 实验目的了解光电转换元件的结构及光电传感器的转换原理与特性；熟悉光电传感器测速的基本工作原理;能设计出具体的测量电路、经过调试获得转速的数字显示。二、 实验原理图1是光电传感器测量转速的原理方框图。是利用光电传感器把直流电动机的转速转换成相应频率的脉冲，此脉冲经过电路的处理（放大，整形），由计数译码和数码显示（或者由数字频率计显示）相应的测量结果。图1图1光电测速系统原理图光电传感器测量转速有反射型和直射型两种，图1中为直射型。而本实验是装置反射型，即光源与光电传感器位于同侧。YL系列传感器系统实验仪配有光电传感器，其端部装有发光管和接收管，发光管发射的光在转盘上反射后被接收管接收转换成电信号，因转盘上有黑白相间的2个间隔，转动时将获得与黑白间隔数有关的脉冲，即频率信号，对其计数、译码和数码显示（或者由数字频率计显示）相应的测量结果。信号频率f与电机的转速间的关系为：（1）r_nJ z（1）60式中n为电机的转速，转/分；z转盘的黑白纹数。有关数字显示电路设计，主要包括定时电路、计数译码显示驱动模块。建议采用555时基芯片组成定时电路，可依据图2所示多谐振荡器来实现。电源接通后，Vcc通过电阻R、R向电容C充电。当电容上电Vc=2Vcc/3时，阀值输入端⑥受到触发，比较器^翻转，输出电压Vo=0，同时放电管T导通，电容C通过R放电；当电容上电压1Vc=Vcc/3，比较器C2工作，输出电压Vo变为高电平。C放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关，充电时间y、放电时间y、振荡周期T：广2 \V——VtpH=(R+RtpH=(R+R)C-lnVC-3VCC,

tpL=RCln(oAtpL=RClnV--VCC3cc、VCC-3V1T=tpH+tpL-0.7(R]+2R2C占空系数：D=^^PH—%+"2T牝0.7R2C⑷⑸图2多谐振荡器的电路图和波形图CPVddINHRstRBILTRBOcQcobfegaVssdCD40331615141312101CD406914TKTVddAOUTLJr~lJINOUTlx.11-i斗OUT11r1nJINOUT1UoOOUTOUTOkJIlU图4CD4069管脚示意图图3CD4033芯片管脚示意图同时使用六输出反相器CD4069（图4），滤波、整形，便于信号测量、数字显示。对光电传感器信号、555定时信号给予计数译码显示驱动，选用具有计数译码功能的芯片CD4033,CD4033可输出驱动七段码数码管，输出管脚见图牝0.7R2C⑷⑸图2多谐振荡器的电路图和波形图CPVddINHRstRBILTRBOcQcobfegaVssdCD40331615141312101CD406914TKTVddAOUTLJr~lJINOUTlx.11-i斗OUT11r1nJINOUT1UoOOUTOUTOkJIlU图4CD4069管脚示意图图3CD4033芯片管脚示意图同时使用六输出反相器CD4069（图4），滤波、整形，便于信号测量、数字显示。对光电传感器信号、555定时信号给予三、实验设备及单元仪表YL系列传感器系统实验仪，函数信号发生器，直流稳压电源，示波器，光电器件（光敏二极管，三极管，红外光电管），可调速直流电动机，555、CD4033、CD4069电子芯片、数码管等。四、实验内容与步骤1、 将光电传感器装至YL系列传感器系统实验仪的电机上方，并对准电机的反光纸，调节高度，使传感器端面离反光纸表面2-3mm。同时将传感器引线分别插入相应插孔，红色接入直流电源，黑色接地端，蓝色接数显表置2K档。2、 将直流稳压电源置10V档，在电机控制单元的V+处接入+10V电压，调节转速旋钮使电机运转。3、 F/V表置2K档，用示波器观察输出的转速脉冲信号根据脉冲信号的频率及电机上反光片的数目换算出此时的电机转速。4、 将上述步骤1的光电传感器的信号，即蓝色引线接入到所设计的数字显示电路，进行计数与显示；比较其与步骤3的结果。5、 对所设计的数字显示电路进行调整，使得与示波