传感与检测技术实验指导书-2011新 (2)

3. 认真检查实验接线，确认接线无误并经指导教师检查后才能启动仪器电源，仪器内

部稳压电源（±2V、±4V、±6V、±8V、±10V、±15V）不能对地短路。

4. 接入半桥和全桥的应变片须注意其受力方向，使其接成差动式。

六、思考题

1. 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。

2. 半桥测量时，二片不同受力状态的应变片接入电桥时应放在（1）对边、 （2）邻边，为什么？

3. 全桥测量中，当两组对边（R1、R3为对边）电阻值R相同时，即R1＝R3，R2＝R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以（2）不可以。

4. 比较单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较，阐述理由。

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实验二 差动变压器特性分析

一、实验目的

1．掌握差动变压器的基本结构及工作原理； 2. 掌握差动变压器测位移的原理和方法；

3．了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响； 4. 了解差动变压器残余电压及其补偿方法。

二、实验原理

1．差动变压器工作原理

差动变压器是一种互感式传感器，是利用变压器初级线圈与次级线圈之间互感的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，以实现非电量的测量。差动变压器有多种结构形式，但应用最多的是螺管式差动变压器（如图2-1所示）。差动变压器主要用于测直线位移，测量位移的范围1－100(mm)；差动变压器亦可用于测量150HZ以下的低频振动加速度、压力、张力等可以转换为机械位移变化的非电物理量。

图2-1 差动变压器原理图

在图2-1（a）中，1表示变压器初级线圈，21和22表示变压器次级两差动线圈，3为线圈绝缘框架，4表示动铁，变量ΔX 表示动铁的位移变化量。

在图2-1（b）中，R1和L1 表示初级线圈1的电阻和自感，R21和R22表示两次级线圈的电阻，L21和L22表示两次级线圈的自感，M1和M2表示初级线圈分别与两次级线圈间的互感，e21和e22表示在初级电压u1作用下在两次线圈上产生的感应电动势，图中两次级线圈反向串联，形成差动输出电压u2。

当初级线圈L1加上一定的交流电压u1时，在次级线圈中，由于电磁感应所产生感应电压e21和e22，其大小与铁芯的轴向位移成比例。把感应电压e21和e22反极性连接，便得到差

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动输出电压U2∝M2-M1 。

① 当动铁处于中间位置时，磁阻Rm1 = Rm2 ， 即互感M1 = M2 ，故此时输出电压U2 = 0 ； ② 当动铁上移时，磁阻 Rm1＜ Rm2 ，则 M1 ＞ M2 ，此时输出电压U2＜0 ； ③ 当动铁下移时，磁阻 Rm1＞ Rm2 ，则 M1＜ M2 ，此时输出电压U2＞0 。 因而差动变压器可以用来测量动铁位移的大小和方向。 2．灵敏度

差动变压器的灵敏度是指差动变压器在单位电压激励下，动铁移动单位距离时所产生的输出电压，以mv/mm表示，一般大于50mv/mm。

三、需用器件与单元

差动变压器实验模块、差动变压器、测微头、双踪示波器、音频信号源、直流电源、万用表。

四、实验内容与步骤

（一）差动变压器测位移性能实验

1. 根据图2-2，将差动变压器装在差动变压器实验模板上。 图 2-2 差动变压器安装示意图

2.测微头的安装与使用

（1）测微头在实验中是用来产生位移并指示出位移量的工具。如图2-3所示，测微头由不可动部分安装套、轴套和可动部分测杆、微分筒、微调钮组成。一般测微头在使用前，首先转动微分筒到10ｍｍ处(为了保留测杆轴向前、后位移的余量)，再将测微头轴套上的主尺横线面向自己安装到专用支架座上，移动测微头的安装套(测微头整体移动)使测杆与被测体连接并使被测体处于合适位置(视具体实验而定)时再拧紧支架座上的紧固螺钉。当转动测微头的微分筒时，被测体就会随测杆而位移。

差动变压器 模板 测量架 测微头

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图2-3 测位头组成与读数

（2）测微头的轴套上有两排刻度线，标有数字的（上排）是整毫米刻线(1ｍｍ／格)，

未标数字的（下排）是半毫米刻线(０.５ｍｍ／格)；微分筒前部圆周表面上刻有50等分的刻线(0.01ｍｍ／格)。用手旋转微分筒或微调钮时，测杆就沿轴线方向进退。微分筒每转过1格，测杆沿轴方向移动微小位移0.01毫米，这也叫测微头的分度值。

（3）测微头的读数方法是先读轴套主尺上露出的刻度数值（注意半毫米刻线）；再读与主尺横线对准微分筒上的数值、可以估读1／10分度，如图2-3甲读数为3.678ｍｍ，不是3.178ｍｍ。遇到微分筒边缘前端与主尺上某条刻线重合时，应看微分筒的分度示值是否过零，如图2-3乙所示微分筒的分度示值已过零，此时读数为2.514ｍｍ；如图2-3丙分度示值未过零，则不应读为２ｍｍ，读数应为1.980ｍｍ。

3. 设定音频信号源：音频信号源必须从主控箱上音频振荡器的LV端子输出，调节音频振荡器的频率，使得其输出频率为4~5KHz（可用主控箱的数显表的频率档fi输入来监测）。调节幅度使输出幅度峰-峰值为Vp-p=2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div、Y轴CH1为1V/div、CH2为20mv/div）。

接 第一通 道示 波器

接第二通道示波器 2 3 4 1 6 5

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插座管脚编号

图2-4 双线示波器与差动变压器连接示意图

3. 参考图2-4接线，判别初次级线圈与次级线圈同名端方法如下：确定初级线圈，设两次级线圈的任意两端为同名端，按图2-3接成差动输出形式。初级线圈加上激磁电源（Lv端音频信号Vp-p=2V），当铁芯上、下移动时，观察示波器中显示的初级线圈波形和次级线圈波形。当次级两线圈差动输出波形幅值变化较大，过零点且正负幅值基本相等，其相位与初级线圈波形比较恰好能保持同相和反相变化，说明已连接的次级两线圈的同名端是正确的，否则改变连接再判断直到正确为止。

微分同

图2-5差动变压器测位移性能实验安装接线图

4. 参考图2-5，松开测微头的安装紧固螺钉，移动测微头使示波器第二通道显示的波

形峰-峰值Vp-p为较小值(即使差动变压器铁芯大约处在中间位置)，拧紧紧固螺钉。仔细调节测微头的微分筒使示波器第二通道显示的波形Vp-p为最小值(零点残余电压)并定为位移的相对零点。实验时，以位移相对零点为起点，向左或右移动测微头时请注意两点：①测微头只能按所定方向向前位移，中途不允许回调；否则，由于测微头存在的机械回差可能引起位移误差。所以，实验时每一次的位移量须仔细调节，绝对不能调节过量；如过量则只好剔除这一点继续做下一点实验或者回到零点重新做实验。②当一个方向行程实验结束，做另一方向时，测微头回到位移相对零点（Vp-p最小值）处时它的位移读数(与向的前位移读数)有变化是正常的，只要中途测微头不回调就不会引起位移误差。

5．位移性能实验

（1）测微头调到位移相对零点，旋动测微头的微分筒，使测微头向左移动；每位移0.2mm(可取8—10点)从示波器上读出一个输出电压Vp-p值，填入下表2-1中。

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