虚拟仪器仪表综合实验装置实验指导
书
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实验一 温度传感器实验
一、 实验目的
掌握温度传感器的特性、 工作原理及其应用。
二、 实验原理
实验电路图如图1-2所示, R2用作加热电阻, R3为负温度系数热敏
电阻NTC, 用来检测加热温度的变化, R3、 R4、 R5、 R6组成全桥电路, 当J1的1-2端、 J2的1-2端断开时, 则桥路后面的精密仪器放大器的输入电压为0, 此时能够经过调节电位器RW 对放大电路进行调0; 当J1的1-2端、 J2的1-2端接通时, 则桥路的输出电压信号经放大调理电路放大, 从而在Uo 的输出端得到随加热温度变化而变化的电压信号。
本实验中的温度传感器采用了热敏电阻, 热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件, 一般用半导体材料做成, 能够分为负温度系数热敏电阻NTC( Negative Temperature coefficient Thermistor) 和正温度系数热敏电阻PTC( Positive Temperature Coefficient Thermistor) , 临界温度系数热敏电阻CTR( Critical Temperature Resistor) 三种, 本实验用的是负温度系数热敏电阻NTC, NTC 一般是一种氧化物的复合烧结体, 特别适合于C 0300~100-之间的温度测量, 它的电阻值随着温度的升高而减小, 其经验公式为: ⎪⎭⎫ ⎝
⎛-=0110T T B T e
R R , 式中, R0是在25C 0时或其它参考
温度时的电阻, 0T 是热力学温度( K) , B 称为材料的特征 温度, 其值与温度有关, 主要用于温度测量。
NTC 和PTC 的特征曲线如图1-1所示:
图1-1
三、实验设备
万用表、温度传感器调理模块。
四、实验内容与步骤
1．将”温度传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上;
2. 在确保上述模块插放无误后, 从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源( 电源的大小及正负极性不能接错) ;
3、进行调理电路的调零: 先将”温度传感器调理模块”的拨动开关拨向下方( 此时模块上的灯暗) ; 用短路帽短接此模块上J1、J2下方的两个插脚, 再调节电位器RW, 用万用表测量
U的两端, 使输出电
O
压为零; 再把短路帽切换到J1、 J2上方的两个插脚。
4、调零完成之后, 再把拨动开关拨向上方( 模块上的灯亮) , 此时电阻R2处于加热状态, 用万用表测量
U的两端, 在加热过程中, 观测
O
并记录输出电压的变化情况。
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五、思考题
归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问题, 主要应用在什么场合, 有哪些优缺点。
六、实验报告要求
1、整理实验数据, 分析热敏电阻NTC的阻值随温度变化的情况;
2、画出热敏电阻NTC的温度特征曲线。
实验二金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应, 单臂电桥工作原理和性能。
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二、 实验原理
应变片的安装位置如图2-2所示, 应变式传感器已装到应变传感器模块上。
传感器中各电阻应变片已接入到”THVZ-1 型传感器实验箱”上, 从左到右依次为R1、 R2、 R3、 R4。
可用万用表进行测量, R1=R2=R3=R4=350Ω。
图2-2 应变式传感器安装示意图
金属丝在外力作用下发生机械形变时, 其电阻值会发生变化, 这就是金属的电阻应变效应。
金属的电阻表示式为:
l R S
ρ
= ( 1)
当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时, 将伸长l ∆, 横截面积相应减小S ∆, 电阻率因晶格变化等因素的影响而改变ρ∆, 故引起电阻值变化
R ∆。
对式( 1) 全微分, 并用相对变化量来表示, 则有:
R l S R l S ρ
ρ
∆∆∆∆=-+ ( 2) 式中的l l ∆为电阻丝的轴向应变, 用ε表示, 常见单位
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με( 1με=1×610mm mm -) 。
若径向应变为r r ∆, 电阻丝的纵向伸长和横
向收缩的关系用泊松比μ表示为l r r l
μ∆∆=-（）, 因为S S ∆=2( r r ∆) , 则( 2) 式能够写成:
01212R l l l
k R l l l l l
ρρρμμρ∆∆∆∆∆∆=++=++=∆（）（） ( 3)
式( 3) 为”应变效应”的表示式。
0k 称金属电阻的灵敏系数, 从式( 3) 可见, 0k 受两个因素影响, 一个是( 1+μ2) , 它是材料的几何尺寸变化引起的, 另一个是ρρε∆（）, 是材料的电阻率ρ随应变引起的( 称”压阻效应”) 。
对于金属材料而言, 以前者为主, 则μ210+≈k , 对半导体,
0k 值主要是由电阻率相对变化所决定。
实验也表明, 在金属丝拉伸比
例极限内, 电阻相对变化与轴向应变成比例。
一般金属丝的灵敏系数
0k =2左右。
用应变片测量受力时, 将应变片粘贴于被测对象表面上。
在外力作用下, 被测对象表面产生微小机械变形时, 应变片敏感栅也随同变形, 其电阻值发生相应变化。
经过调理转换电路转换为相应的电压或电流的变化, 根据( 3) 式, 能够得到被测对象的应变值ε, 而根据应力应变关系
εσE = ( 4)
式中 σ——测试的应力;
E ——材料弹性模量。
能够测得应力值σ。
经过弹性敏感元件, 将位移、 力、 力矩、 加速度、 压力等物理量转换为应变, 因此能够用应变片测量上述各量, 从
而做成各种应变式传感器。
电阻应变片可分为金属丝式应变片, 金属箔式应变片, 金属薄膜应变片。
金属箔式应变片就是经过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件, 经过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化, 电桥的输出电压反映了相应的受力状态, 对单臂电桥输出电压 U= EKε/4, 式中E为电桥供电电压, K为应变灵敏系数。
应变式传感器信号调理实验电路图如图2-1所示。
图2-1应变式传感器信号调理实验电路图
三、实验设备
THVZ-1型传感器实验箱中应变式传感器实验单元、砝码、万用表、信号调理挂箱、应变式传感器调理模块。
四、实验内容与步骤
1．将”应变式传感器调理模块”插放到相应的实验挂箱上, 在确保上述模块插放无误后, 从实验屏上接入实验挂箱所需的工作电源( 电
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