自動檢測技術實驗一

東南大學自動化學院實驗報告課程名稱：檢測技術第1次實驗實驗名稱：實驗一、三、五、八、九院（系）：自動化專業(yè)：自動化姓名：學號：實驗室：實驗組別：同組人員：實驗時間：2023年11月16日評估成績：審閱教師：實驗一金屬箔式應變片——單臂電橋性能實驗一、基本原理電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應。描述電阻應變效應的關系式為：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R為電阻絲電阻相對變化，K為應變靈敏系數(shù)，ε=ΔL/L為電阻絲長度相對變化。金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它反映被測部位受力狀態(tài)的變化。電橋的作用是完畢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(tài)。單臂電橋輸出電壓Uo1=EKε/4。二、實驗器材及連線主機箱(±4V、±15V、電壓表)、應變傳感器實驗模板、托盤、砝碼、萬用表、導線等。圖2-1應變式傳感器安裝示意圖圖2-2應變傳感器實驗模板、接線示意圖 圖2-3單臂電橋工作原理圖三、實驗環(huán)節(jié)1、根據圖2-3工作原理圖、圖2-2接線示意圖安裝接線。2、放大器輸出調零將實驗模板上放大器的兩輸入端口引線暫時脫開，再用導線將兩輸入端短接(Vi＝0)；調節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置(先逆時針旋到底，再順時針旋轉2圈)；將主機箱電壓表的量程切換開關打到2V檔，合上主機箱電源開關；調節(jié)實驗模板放大器的調零電位器RW4，使電壓表顯示為零。3、電橋調零拆去放大器輸入端口的短接線，將暫時脫開的引線復原。調節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使電壓表顯示為零。4、應變片單臂電橋實驗在應變傳感器的托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增長砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g（或500g）砝碼加完。實驗結果填入表2-1，畫出實驗曲線。表2-1重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)15.230.545.961.577.092.4108.0132.8148.3163.9擬合方程為：重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)15.230.545.961.577.092.4108.0132.8148.3163.9擬合電（mv）12.4929.1745.8562.5379.2195.89112.57129.25145.93162.61偏差（mv）2.711.330.05-1.03-2.21-3.49-4.573.552.371.295、根據表2-1計算系統(tǒng)靈敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU為輸出電壓變化量，ΔW為重量變化量）和非線性誤差δ。δ=Δm/yFS×100％式中Δm為輸出值（多次測量時為平均值）與擬合直線的最大偏差；yFS為滿量程輸出平均值，此處為200g（或500g）。實驗完畢，關閉電源。由擬合直線知，系統(tǒng)靈敏度可以用擬合曲線的斜率表達，即： S=0.834δ=Δm/yFS×100％=4.57/200=2.29%6、運用虛擬儀器進行測量。四、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。應變片受拉，所以應選正應變片實驗三金屬箔式應變片——全橋性能實驗一、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ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4時，其橋路輸出電壓Uo3＝KEε。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均得到改善。二、實驗環(huán)節(jié)1、按圖接線示意圖安裝接線。2、差動放大器調零將實驗模板上放大器的兩輸入端口引線暫時脫開，用導線將兩輸入口短接(Vi＝0)；調節(jié)放大器的增益電位器RW3大約到中間位置(先逆時針旋到底，再順時針旋轉2圈)；將主機箱電壓表的量程切換開關打到2V檔，合上主機箱電源開關；調節(jié)實驗模板放大器的調零電位器RW4，使電壓表顯示為零。3、電橋調零恢復實驗模板上放大器的兩輸入口接線，調節(jié)實驗模板上的橋路平衡電位器RW1，使主機箱電壓表顯示為零。4、應變片全橋實驗在應變傳感器的托盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，依次增長砝碼和讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g（或500g）砝碼加完。實驗結果填入表2-3，畫出實驗曲線。5、計算靈敏度S＝U／W，非線性誤差δ。實驗完畢，關閉電源。6、運用虛擬儀器進行測量。重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)5.112.518.223.829.435.140.545.752.057.7制作圖如下擬合方程為：重量(g)20406080100120140160180200電壓(mv)5.112.518.223.829.435.140.545.752.057.7擬合電（mv）6.28 11.99817.7123.4329.1434.8640.5746.2952.0157.72偏差（mv）-1.180.510.490.370.260.24-0.07-0.59-0.01-0.02由擬合直線知，系統(tǒng)靈敏度可以用擬合曲線的斜率表達，即： S=0.2858δ=Δm/yFS×100％=1.18/200=0.59%五、思考題1、測量中，當兩組對邊（如R1、R3為對邊）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。 不可以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，如圖，能否如何運用四片應變片組成電橋，是否需要外加電阻。 可以組成電橋。對于左邊一副圖，可以任意選取兩個電阻接入電橋的對邊；對于右邊的一幅圖，可以選取R3、R4接入電橋對邊。兩種情況下都需要接入與應變片阻值相等的電阻。3、金屬箔式應變片單臂、半橋、全橋性能比較基本原理如圖（a）、（b）、（c）。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，闡述因素，得出相應的結論。 靈敏度全橋最大，半橋次之，單臂最?。环蔷€性度單臂最大，單橋次之，全橋最小4、金屬箔式應變片的溫度影響 運用溫度補償片或采用全橋測量。 實驗五差動變壓器的性能實驗一、基本原理差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據內外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結構。當被測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(fā)生變化促使次級線圈感應電勢產生變化（一只次級感應電勢增長，另一只感應電勢則減少）。將兩只次級反向串接（同名端連接），引出差動電勢輸出。其輸出電勢反映出被測體的移動量。二、實驗環(huán)節(jié)1、差動變壓器實驗①按圖接線。將差動變壓器和測微頭安裝在實驗模板的支架座上，L1為初級線圈；L2、L3為次級線圈；＊號為同名端。②差動變壓器的原邊Ｌ１的激勵電壓從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線無誤后合上總電源開關，調節(jié)音頻振蕩器的頻率為4～5KHz（可用主機箱的頻率表輸入Fin來監(jiān)測）；調節(jié)輸出幅度峰峰值為Vp-p＝2V（可用示波器監(jiān)測：X軸為0.2ms/div）。③松開測微頭的安裝緊固螺釘，移動測微頭的安裝套使差動變壓器的次級輸出（示波器第二通道）波形Vp-p為較小值（變壓器鐵芯大約處在中間位置）。擰緊緊固螺釘，仔細調節(jié)測微頭的微分筒使差動變壓器的次級輸出波形Vp-p為最小值（零點殘余電壓），并定為位移的相對零點。這時可以左右位移，假設其中一個方向為正位移，則另一個方向位移為負。④從零點（次級輸出波形Vp-p為最小值）開始旋動測微頭的微分筒，每隔0.2mm（可取10～25點）從示波器上讀出輸出電壓Vp-p值，填入表3-1。一個方向結束后，再將測位頭退回到零點反方向做相同的位移實驗。⑤從零點決定位移方向后，測微頭只能按所定方向調節(jié)位移，半途不允許回調，否則，由于測微頭存在機械回差而引起位移誤差。實驗時每點位移量須仔細調節(jié)，絕對不能調節(jié)過量而回調，如過量則只好剔除這一點繼續(xù)做下一點實驗或者回到零點重新做實驗。當一個方向行程實驗結束，做另一方向時，測微頭回到次級輸出波形Vp-p最小處時它的位移讀數(shù)有變化（沒有回到本來起始位置），這是正常的。做實驗時位移取相對變化量△Ｘ為定值，只要半途測微頭不回調就不會引起位移誤差。2、實驗過程中注意差動變壓器次級輸出的最小值即為差動變壓器的零點殘余電壓。根據表畫出Vop-p－X曲線，作出位移為±1mm、±3mm時的靈敏度和非線性誤差。實驗完畢，關閉電源（起始點調整到3mm處，所以X=Xi-3）X(mm)1.01.21.41.61.82.02.22.42.62.8V(v)0.3600.3320.3050.2770.2490.2290.2010.1730.1520.118X(mm)3.03.23.43.63.84.04.24.44.64.8V(v)0.100.1250.1530.1730.1940.2150.2350.2560.2840.312作圖如下：當X=±1mm時，U-1=0.229VU+1=0.215V，U0=0.1V擬合知小于0時，擬合方程為：S1=0.1305,最大擬合偏差。大于0時，擬合方程為：S1=0.1134，最大擬合偏差。所以靈敏度S=（S1+S2）/2=0.122(V/mm);非線性誤差五、思考題：1、用差動變壓器測量振動頻率的上限受什么影響？ 導線自身狀態(tài)會影響上限2、試分析差動變壓器與一般電源變壓器的異同？ （1）同：運用電磁感應原理工作。（2）異：差動變壓器為開磁路，一、二次側間的互感隨銜鐵移動而變；一般變壓器為閉合磁路，一、二次側間的互感為常數(shù)。實驗八差動變壓器的應用—振動測量實驗一、基本原理由差動變壓器性能實驗基本原理可知，當差動變壓器的鐵芯連接桿與被測體連接時就能檢測到被測體的位移或振動。二、實驗環(huán)節(jié)1、將差動變壓器按圖卡在傳感器安裝支架的U型槽上，并擰緊差動變壓器的夾緊螺母；調整傳感器安裝支架，使差動變壓器的鐵芯連桿與振動臺中心點磁鋼吸合，并擰緊傳感器安裝支架壓緊螺帽；再調節(jié)升降桿使差動變壓器鐵芯大約處在線圈的中心位置。2、按圖接線，并調整好有關部分，調整如下：（1）檢查接線無誤后，合上主機箱電源開關，用頻率表、示波器監(jiān)測音頻振蕩器LV的頻率和幅值，調節(jié)音頻振蕩器的頻率、幅度旋鈕，使Lv輸出4～5KHz、Vp-p=2V的激勵電壓。（2）用示波器觀測相敏檢波器輸出（圖中低通濾波器輸出接的示波器改接到相敏檢波器輸出），調節(jié)升降桿（松開鎖緊螺釘轉動升降桿的銅套）的高度，使示波器顯示的波形幅值為最小。（3）仔細調節(jié)差動變壓器實驗模板的RW1和RW2（交替調節(jié)）使示波器（相敏檢波器輸出）顯示的波形幅值更小，基本為零點。（4）用手按住振動平臺（讓傳感器產生一個大位移）仔細調節(jié)移相器和相敏檢波器的旋鈕，使示波器顯示的波形為一個接近全波整流波形。（5）松手，整流波形消失變?yōu)橐粭l接近零點線（否則再調節(jié)RW1和RW2）。（6）振動源的低頻輸入接上主機箱的低頻振蕩器，調節(jié)低頻振蕩器幅度旋鈕和頻率旋鈕，使振動平臺振蕩較為明顯。用示波器觀測相敏檢波器輸出及低通濾波器輸出波形。3、保持低頻振蕩器的幅度不變，改變振蕩頻率，用示波器觀測低通濾波器的輸出，讀出峰峰電壓值，記下實驗數(shù)據，填入下表。f(Hz)25811141720232628Vpp(V)0.1160.1440.1580.4180.1370.1230.1160.1160.1160.1034、根據實驗結果作出梁的振幅～頻率特性曲線，指出自振頻率的近似值，并與實驗四使用應變片測出的結果相比較。振幅～頻率特性曲線5、保持低頻振蕩器頻率不變，改變振蕩幅度，同樣可得到振幅與電壓峰峰值Vp-p曲線（定性）。振蕩頻率不變（11Hz）振幅（V）0.7310.7650.8050.8660.9531.1071.2881.315Vp-p(V)0.0820.0890.1030.1160.1300.1440.3290.3566、注意事項：低頻激振電壓幅值不要過大，以免梁在自振頻率附近振幅過大。實驗完畢，關閉電源。三、思考題1、假如用直流電壓表來讀數(shù)，需增長哪些測量單元，測量線路該如何設計？ 增長整流電路，把交流轉化為所需要的直流。2、運用差動變壓器測量振動，在應用上有些什么限制？ 輸入只能是交流，并且交流頻率有上限。實驗九電容式傳感器的位移實驗一、基本原理運用電容C＝εA／d的關系式，通過相應的結構和測量電路，可以選擇ε、A、d三個參數(shù)中保持二個參數(shù)不變，而只改變其中一個參數(shù)，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）等多種電容傳感器。本實驗采用的傳感器為圓筒式變面積差動結構的電容式位移傳感器，如圖所示：由二個圓筒和一個圓柱組成。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=ε2ｘ／ln(R／r)。圖中C1、C2是差動連接，當圖中的圓柱產生ΔX位移時，電容量的變化量為ΔC=C1－C2=ε22ΔX／ln(R／r)，式中ε2、ln(R／r)為常數(shù)，說明ΔC與位移ΔX成正比，配上配套測量電路就能測量位移。二、實驗環(huán)節(jié)1、按圖將電容傳感器裝于電容傳感器實驗模板上，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(jié)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傳感器的