测试技术实验(综合)

实验1 电感式传感器——差动变压器性能测试

实验目的

了解差动变压器的基本构造及原理，通过实验验证差动变压器的基本特性。 实验器件

音频振荡器、测微头、示波器、主副电源、差动变压器。 旋钮初始位置

音频振荡器的振荡频率为4kHz～8kHz，双线示波器每格读数为示波器上“>”后面所对应的数字，触发选择“第一通道”，主、副电源关闭。 实验原理

电感传感器是一种基于互感的原理，将位置量的变化(即位移)转变为电感量变化的传感器。如图1所示，它由初级线圈L、次级线圈L1、L2与铁心P构成，本质上，它是一个变压器，且因其两个次级线圈按反极性串联组成差动式，故电感式传感器又称差动变压器式传感器。当初级线圈L加入交流电压时，若u1=u2，则输出电压u0= u1–u2=0，当铁心向上运动时，因u1 > u2，故u0 > 0，当铁心向下运动时，因u1 < u2，故u0 < 0，且铁心偏离中心位置越大，u0 越大。其输出特性曲线如图所示。

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Lv示波器CH1u1uiu0=u1-u2示波器CH2u2x

(a) 电路

uu2u1u0x

(b) 输出特性

图1 差动变压器式传感器的工作原理

实验步骤

1、根据图2接线，将差动变压器、音频振荡器（注意：输出为LV）、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器初级线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。

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音频振荡器LvL0LiL0示波器

图2 器件连接图

(两线圈两上极联在一起，示波器两通道均不能接地) 2、转动测微头，使其与振动平台吸合，然后将其向上转动5mm，使振动平台向上移动。

3、向下旋动测微头，使振动平台产生位移。每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰值电压，并填入表，根据所得数据计算灵敏度S(S＝Δu/Δx，其中，Δu为电压变化，Δx为对应振动平台的位移变化)，并作出u- x关系曲线。

位移x /mm 电压u0/mv

5 表1-1 位移与输出电压之间的关系 4.8 4.6 … 0.2 0 -0.2 … -4.8 -5 思考题

1、根据实验结果，指出线性范围。

2、当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？

3、用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？由于什么原因造成？

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实验2 电容传感器性能测试

实验原理

差动式同轴变面积型电容传感器的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化。此圆筒形电容器的电容计算式为（与差动变压器实验的螺旋测微器相同）

20xCln(r2/r1)

式中，x——内圆筒与外圆筒覆盖部分的长度，m； r1、r2——筒的内半径与外半径，即工作半径，m；

定极1动极x定极2

图2-1差动式同轴变面积型电容传感器

电容变换器①C1C2②电容Cx1差动放大器①②电容变换器③+-低通滤波器毫伏表示波器V~③V0增益Cx2

图2-2 实验接线图

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实验器件

电容传感器、电容传感器实验模块、激振器I、测微仪 实验要求

记录数据，作出u-x曲线，求出灵敏度S实验步骤

1、观察电容传感器结构，传感器由一个动极与两个定级组成，连接主机与实验模块的电源线及传感器接口，按图2-2接线，增益适当；

2、打开主机电源，用测微仪带动传感器动极，移至两定极中间，调整调零电位器，使模块电路输出电压为零；

3、上下移动动极，每次移动0.1mm，直至动静极完全重合为止，记录数据，作出v-x曲线，求出灵敏度；

位移x/mm 电压u /v 表2-1 位移与输出电压之间的关系 u。 x4、移开测微仪，将电容传感器安装在主机振动平台旁的支架上，在振动平台上装好传感器动极，用手按动平台，使平台振动时电容传感器的动极与定极不碰擦为宜；

5、开启“激振I”开关，振动台就会带动动极在两定极中间来回振动，从示波器中观察输出电压及其波形； 注意事项

电容传感器动极须置于两环型定极中间，安装时，须仔细调整，实验过程中，动极与定极不能出现碰擦，否则信号会发生突变。

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实验3 压电加速度传感器的动态响应实验

实验目的

了解压电传感器的原理、结构及应用。 实验单元

低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、电压/频率表、主副电源、振动平台。 旋钮的初始位置

低频振荡器的幅度旋钮置于最小，电压/频率表置于2kHz档。 实验原理

压电加速度传感器是一种发电型的、有源传感器，其压电元件是典型的力敏元件，即在压力、应力、加速度等外力作用下，其电介质表面会产生一定的电荷，从而实现非电量的电测。

电荷放大器低通滤波器示波器~压电传感器

图3-1 实验接线图

实验部件

压电加速度传感器、电路实验模块、激振器II、电压/频率表、示波器。 实验要求

验证压电加速度传感器是一种对外力变化敏感的传感器。

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实验步骤

1、观察压电式传感器的结构，根据图3-1的电路结构，用线将压电传感器、电荷放大器、低通滤波器、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。

2、将频率表的输入端与低频振荡器的输出端相连，再将低频振荡信号接入振动台的激振线圈II，使其由上极输入，下极接地。

3、调整示波器，先将低频振荡器的调幅旋钮调至最大并保持不动，然后调节频率，调节时，用频率表监测频率的变化，用示波器读出峰值(即为电压)，并填入表3-1。

表3-1 频率-电压表 频率f /Hz 电压u /v 5 7 12 15 17 20 25 4、用示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较，观察其波形的相位差。 注意事项

激振时，悬臂梁振动频率不能过低（如低于5Hz），否则传感器的输出不稳定。 思考题

1、根据实验结果，试估算出振动台的自振频率。

2、压电式传感器的特点是什么？与磁电式传感器相比，其输出波形的相位差Δφ大致为多少？并说明原因。

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实验4 应变片电桥性能测试

实验目的

确定电阻应变片测量装置的灵敏度。 实验单元

直流稳压电源、差动放大器、电桥、测微计、电压/频率表、纵向与横向安装的箔式应变片、半导体应变片。 实验原理

电阻应变片测量装置的框图和参数变换原理如图4-1所示。

位移x测微计应变梁应变应变片电阻变化R电桥及放大器电压变化U

图4-1 电阻应变片测量装置的框图与参数变换原理

测量装置的输入为应变梁一端的位移x，输出为应变片电桥的输出电压Uo，则电阻应变片测量装置的灵敏度为

SU x实验方法

(1)检查各单元旋钮的初始位置

直流稳压电源输出置于2v档，V/F表置于V表20v档，差动放大器增益旋钮置于最大。 (2)组桥

电桥单元和差动放大器面板如图4-2a、b所示。电桥单元上部的四个桥臂电阻为组桥示意标记，其中，R1、R2和R3分别为备用的桥臂电阻，按需接入桥路，Rx表示外接桥臂电阻(如应变片或固定电阻)；

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分析梁上各应变片的受力状态，选择沿应变梁纵向安装的应变片(如第3组)组成测量电路，如图4-3所示。

10RxR11823+3_11R37R2192r4RP5调零增益546

a) 电桥单元 b) 差动放大器面板

图4-2 电桥单元和差动放大器面板

4v410R1Rx+V_11RP28R2R3- 4v5电桥平衡网络9差动放大器直流电压表

图4-3 测量电路的组成

(3)调整测量电路

差动放大器调零：用导线将差动放大器的同向输入端、反向输入

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端与地线相连，电压表量程置于2V档。调整差动放大器增益旋扭，并调至最大，再调整差动放大器的调零旋扭，使电压表指示为零。稳定后，断开差动放大器电源，去掉差动放大器输入端的导线，V/F表置于20V档。

电桥的初始平衡：①转动测微计，使梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸，并使双平衡梁处于水平位置(目测)；②将直流稳压电源输出置于4V档，接通差动放大器电源，调整电桥平衡电位器RP，使电压表指示为零；③稳定数分钟后，将电压表量程置于2V档，再仔细调零。

(4)测量应变片电桥的输出电压

旋转测微计进行加载，使梁的自由端向下产生位移，每次移动0.5mm(可根据灵敏情况来选择)，直至4 mm，记下电压表所显示的数值；然后卸载，每次也移动0.5 mm，直至零位；加载与卸载反复进行3次，记录测试数据，并填入表4-1。

表4-1 位移-电压表 位移x /mm 正行程电压u /v 反行程电压u /v

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 (5)重新实验

①断开差动放大器电源，将电压表量程返回到20档，将应变片换成沿应变梁横向安装的补偿片重新进行实验。

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②选择半导体应变片，重新进行实验。 实验报告

处理测试数据，分别作出Ux的标定曲线和拟合曲线，计算测量装置的灵敏度S1、S2与S3。 思考题

1)电阻应变片主要应用于哪种物理量的测量，如何测量材料的泊松比？

2)与箔式应变片相比，半导体应变片有何特点？

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实验5 霍尔传感器—振幅测量

实验目的

了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。 实验部件

霍尔片、磁路系统、差动放大器、电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波器、低频振荡器、音频振荡器、振动平台、主副电源、激振线圈II、双线示波器。 旋钮初始位置

差动放大器增益旋至最大值，音频振荡器1kHz。 实验步骤

1、开启主副电源，差动放大器输入短接并接地，调零后，关闭主副电源。

移相器音频振荡器0oCWDr霍尔片1/+-相敏检波器2低通滤波器示波器~

wA差动放大器图4-1 实验接线图

2、根据图4-1的电路结构，将霍尔传感器、直流稳压电源、电桥平衡网络、差动放大器、电压表连接起来，组成一个测量线路（电压表应置于20V档），并将差动放大器增益置于最小位置。

3、开启主副电源，转动测微头，将振动平台中间的磁铁与测微

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头分离开来并使之远离，使梁振动时不至于再被吸住为止（这时振动台处于自由静止状态）。

4、调整电桥平衡电位器WA和WD，使电压/频率表指示为零。 5、去除差动放大器与电压表的连线，将差动放大器的输出与示波器相连，将电压/频率表置2kHz档，并将低频振荡器的输出端与激振线圈II相连后再用电压/频率表监测频率。

6、将低频振荡器的调幅旋钮固定于某一位置，调节低频振荡频率(用频率表监测频率)，用示波器读出低通滤波器输出的峰值，并填入表4-1。

表4-1 频率-电压表 频率f /Hz 电压u /v 5 7 12 15 17 20 25 注意事项

应仔细调整磁路，使传感器工作时处于梯度磁场中，否则灵敏度将大大下降。 思考题

1、根据实验结果，估算出振动平台的自振频率。

2、当某一频率固定时，调节低频振荡器的幅度旋钮，改变梁的振动幅度，由示波器的读数能否推算出梁振动时的位移距离。

3、若用其它方法来测量振动平台振动时的位移，则其测量范围是多少，与本实验相比，其结果有什么不同。

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