傳感器技術(shù)及應(yīng)用第十一章傳感器實驗指導(dǎo)

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1、第11章 傳感器實驗指導(dǎo) CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀 實驗一金屬應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋功能比較 實驗二 差動變壓器的特性及應(yīng)用 實驗三 差動螺線管電感式傳感器的特性 實驗四 差動變面積式電容傳感器的特性 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及應(yīng)用 實驗六 磁電式傳感器的特性 實驗七 霍爾式傳感器的特性實驗八 熱敏電阻的測溫特性 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應(yīng)用 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀【實驗儀簡介】 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀是由浙江大學(xué)杭州高聯(lián)傳感技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的一種專門用于傳感器與自動檢測技術(shù)課程實驗教學(xué)的儀器，該實驗儀如圖11-1所示。它主要由各類傳感器(包括應(yīng)變

2、式、壓電式、磁電式、電容式、霍爾式、熱電偶、熱敏電阻、差動變壓器、渦流式、光纖傳感器等)、測量電路(包括電橋、差動放大器、電容放大器、電壓放大器、電荷放大器、渦流變換器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器等)及其接口插孔等組成。該系統(tǒng)還提供了直流穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器、低頻振蕩器、F/V表、電機(jī)控制器等。 下一頁返回 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀【使用注意事項】 1. 應(yīng)在確保接線無誤后才能開啟電源。 2. 迭插式插頭應(yīng)避免拉扯，以防插頭折斷。 3. 對從電源、振蕩器引出的線要特別注意，不要接觸機(jī)殼造成短路，也不能將這些引線到處亂插，否則，很可能引起儀器損壞。 4. 用激振器時不要將低頻振蕩器的

3、激勵信號開得太大，以免梁的振幅過大而損壞。 5. 音頻振蕩器接低阻負(fù)載(小于100)時，應(yīng)從LV口輸出，不能從另兩個電壓輸出插口輸出。 上一頁返回 實驗一金屬應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋功能比較 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗?zāi)康摹?1. 觀察了解金屬應(yīng)用片的結(jié)構(gòu)和粘貼方式。 2. 測試懸臂梁變形的應(yīng)變輸出。 3. 驗證單臂、半橋、全橋測量電橋的輸出關(guān)系，比較不同橋路的功能。 【實驗設(shè)備】直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、應(yīng)變式傳感器(電阻應(yīng)變片)、電壓表?！緦嶒炘怼繎?yīng)變片是一種能將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感元件。下一頁返回 實驗一金屬應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋功能比較使用應(yīng)變片時，將其貼于

4、測試件表面上。當(dāng)測試件受力變形時，應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生形變，相應(yīng)的電阻值將發(fā)生變化，通過測量電路最終將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，測出應(yīng)變片的靈敏度。電橋是將被測非電量轉(zhuǎn)換成電壓或電流的一種常用的方法。【實驗步驟】 1. 設(shè)定旋鈕的初始位置：直流穩(wěn)壓電源打到2V擋，電壓表打到2V擋，差動放大器增益打到最大。 2. 將差動放大器調(diào)零。方法：用實驗線將差放的正負(fù)輸入端與地端連接在一起，增益設(shè)置在最大位置，然后將輸出端接到電壓表的輸入插口，打開主、副電源，調(diào)整差放的調(diào)零旋鈕使表頭指示為0。 3. 根據(jù)圖11-2的電路結(jié)構(gòu)，利用電橋單元上的接線插孔和調(diào)零網(wǎng)絡(luò)連接好測量線路(差動放大器接成同相或反相均可)。圖

5、中R4為工作應(yīng)變片，R1、R2和R3為普通電阻，W1為可調(diào)電位器，r為調(diào)平衡電阻。電源由直流穩(wěn)壓電源提供。 上一頁下一頁返回 實驗一金屬應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋功能比較 4. 將直流穩(wěn)壓電源打到4V擋。選擇適當(dāng)?shù)姆糯笤鲆?，然后調(diào)整電橋平衡電位器，使表頭指零需預(yù)熱幾分鐘表頭才能穩(wěn)定下來。 5. 加上砝碼，每加一個讀數(shù)，將測得數(shù)值填入表11-1。 6. 保持放大器增益不變，將R3換為與R4工作狀態(tài)相反的另一應(yīng)變片，形成半橋，調(diào)整電橋平衡電位器，使表頭指零。然后依次加上砝碼，同樣測出讀數(shù)，填入表11-2。 7. 保持差動放大器增益不變，將R1、R2兩個電阻換成另兩片工作片，接成一個直流全橋，通過電橋

6、平衡電位器調(diào)好零點。依次加上砝碼，將讀出數(shù)據(jù)填入表11-3。 8. 在同一坐標(biāo)紙上描出W-V曲線，比較三種接法的靈敏度S。 上一頁下一頁返回 實驗一金屬應(yīng)變片：單臂、半橋、全橋功能比較【問題】 1. 根據(jù)實際測試的數(shù)據(jù)與理論上推導(dǎo)的公式相比較，結(jié)論如何？ 2. 對橋路測量線路有何特別的要求？為什么？【注意事項】 1. 在更換應(yīng)變片時應(yīng)將電源關(guān)閉，以免損壞應(yīng)變片。 2. 在實驗過程中如果發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應(yīng)將量程擴(kuò)大或?qū)⒉罘旁鲆鏈p小。 3. 直流穩(wěn)壓電源不能打的過大，以免損壞應(yīng)變片或造成嚴(yán)重自燃效應(yīng)。 4. 接全橋時請注意區(qū)別各應(yīng)變片的工作狀態(tài)方向，保證R1與R3工作狀態(tài)相同，R2與R4工作狀

7、態(tài)相同。 5. 在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。 上一頁返回 實驗二 差動變壓器的特性及應(yīng)用 【實驗性質(zhì)】綜合性實驗【實驗?zāi)康摹?1. 了解差動變壓器的原理及工作情況。 2. 了解如何用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)線路對殘余電壓進(jìn)行補(bǔ)償。 3. 了解差動變壓器的實際應(yīng)用?！緦嶒瀮x器】音頻振蕩器、測微頭、雙線示波器、電橋、差動變壓器、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、低頻振蕩器、激振器。 【實驗步驟】 (一) 差動變壓器性能檢測 1. 設(shè)定有關(guān)旋鈕初始位置：音頻振蕩器4kH z，雙線示波器第一通道靈敏度500mV/cm，第二通道靈敏度20mV/cm，觸發(fā)選擇打到第一通道

8、。 下一頁返回 實驗二 差動變壓器的特性及應(yīng)用 2. 按圖11-3接線，音頻振蕩器必須從LV接出。 3. 調(diào)整音頻振蕩器幅度旋鈕，使音頻LV信號輸入到初級線圈的電壓為2Vp-p。 4. 旋動測微頭，從示波器上讀出次級輸出電壓Vp-p值填入表11-4。 讀出過程中應(yīng)注意初、次級波形的相位關(guān)系：當(dāng)鐵芯從上至下時，相位由_相變?yōu)開相。 5. 仔細(xì)調(diào)節(jié)測微頭使次級的差動輸出電壓為最小，必要時應(yīng)將通道二的靈敏度打到較高擋，如0.2V/cm，這個最小電壓叫做，可以看出它與輸入電壓的相位差約為_，因此是_正交分量。 6. 根據(jù)所得結(jié)果，畫出(Vp-p-X)曲線，指出線性工作范圍，求出靈敏度 【注意事項】 (

9、1) 差動變壓器的激勵源必須從音頻振蕩器的電流輸出口(LV插口)輸出。 上一頁下一頁返回 實驗二 差動變壓器的特性及應(yīng)用 (2) 差動變壓器的兩個次級線圈必須接成差動形式，即同名端相連，這可通過信號相位有否變化判別之。 (3) 差動變壓器與示波器的連線應(yīng)盡量短一些，以免引入干擾。 (二) 差動變壓器零點殘余電壓的補(bǔ)償 1. 設(shè)定有關(guān)旋鈕的初始位置：音頻振蕩器4kH z，雙線示波器第一通道靈敏度500mV/cm，第二通道靈敏度1V/cm，觸發(fā)選擇打到第一通道，差動放大器的增益旋到最大。 2. 觀察差動變壓器的結(jié)構(gòu)。按圖11-4接線，音頻振蕩必須從LV插口輸出，W 1、W2、r、c為電橋單元中調(diào)平

10、衡網(wǎng)絡(luò)。 3. 利用示波器，觀察示波器第一通道的讀數(shù)，調(diào)整音頻振蕩器的幅度旋鈕，使其輸出為2Xp-p值。 4. 調(diào)整測微頭，觀察示波器第二通道的讀數(shù)，使差動放大器輸出電壓最小。 上一頁下一頁返回 實驗二 差動變壓器的特性及應(yīng)用 5. 依次調(diào)整W1和W2，使輸出電壓進(jìn)一步減小，必要時重新調(diào)節(jié)測微頭。 6. 將第二通道的靈敏度提高，觀察零點殘余電壓的波形，注意與激勵電壓波形相比較。經(jīng)過補(bǔ)償后的殘余電壓波形為_波形，這說明波形中有_分量。【注意事項】 1. 由于該補(bǔ)償線路要求差動變壓器的輸出必須懸浮。因此,次級輸出波形難以用一般示波器來看，要用差動放大器使雙端轉(zhuǎn)換為單端輸出。 2. 音頻信號必須從L

11、V插口引出。 3. 本實驗也可用圖11-5所示線路，試解釋原因。 (三)差動變壓器在振動測量中的應(yīng)用 1. 設(shè)定有關(guān)旋鈕的初始位置：音頻振蕩器4kH z，差動放大器增益適中。 2. 按圖11-6接線，并調(diào)整好有關(guān)部分。 上一頁下一頁返回 實驗二 差動變壓器的特性及應(yīng)用 3. 利用示波器，使音頻振蕩器的輸出為1.5Vp-p。 4. 將激振器接通，適當(dāng)旋動幅度旋鈕。 5. 保持低頻振蕩器的幅度不變，改變低頻振蕩器的頻率，用示波器觀察低通濾波器的輸出，讀出峰-峰電壓值，記下實驗數(shù)據(jù)，填入表11-5。 6. 根據(jù)實驗結(jié)果作出梁的振幅-頻率特征曲線，指出自振頻率的大致值，并與用應(yīng)變片測出的結(jié)果相比較。【

12、注意事項】 適當(dāng)選擇低頻激振電壓，以免梁在自振頻率附近振幅過大?！締栴}】如果用直流電壓表來讀數(shù)，需增加哪些測量單元？測量線路該如何？ 上一頁返回 實驗三 差動螺線管電感式傳感器的特性 【實驗性質(zhì)】設(shè)計性實驗【實驗?zāi)康摹客ㄟ^該實驗進(jìn)一步掌握差動式測量電路的使用方法和螺線管電感式傳感器的特性?！緦嶒炓蟆?1. 參考差動變壓器的實驗原理，設(shè)計一個差動螺線管電感式傳感器的測量線路，并進(jìn)行位移測量。 2. 寫出實驗原理、實驗步驟，對實驗結(jié)果進(jìn)行列表、分析、計算，畫出其V-X曲線。 3. 從理論和實際測試系統(tǒng)兩個方面找出產(chǎn)生誤差的原因。 4. 在進(jìn)行具體實驗操作前先擬定實驗方案，經(jīng)實驗指導(dǎo)教師審核通過后

13、方能進(jìn)入實驗室操作?！緦嶒炘O(shè)備】音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低頻濾波器、電壓表、測微頭、示波器。 返回 實驗四 差動變面積式電容傳感器的特性 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗?zāi)康摹苛私獠顒幼兠娣e式電容傳感器的原理及特性。【實驗設(shè)備】電容傳感器、差動放大器、低通濾波器、V/F表、激振器、示波器。 【實驗步驟】 1. 差動放大器調(diào)零，按圖11-7接線。 2. 差動放大器增益旋鈕置中間，V/F表打到2V擋，調(diào)節(jié)測微頭，使輸出為零。下一頁返回 實驗四 差動變面積式電容傳感器的特性 3. 旋動測微頭，每次0.5mm，記下此時測微頭的讀數(shù)及電壓表的讀數(shù)，直至電容動片與上或下靜片覆蓋面積最

14、大為止，見表11-6。 退回測微頭至初始位置。并開始以相反方向旋動。同上法，記下X(mm)及V(mV)值，見表11-7。 4. 計算系統(tǒng)靈敏度 并作出V-X曲線。 5. 移開測微頭，斷開電壓表，接通激振器，使振動臺振動用示波器觀察輸出波形。VS X 上一頁返回 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及應(yīng)用 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗?zāi)康摹苛私鈮弘娂铀俣葌鞲衅鞯脑?、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用?！緦嶒炘O(shè)備】低頻振蕩器、電壓放大器、低通濾波器、渦流傳感器、渦流變換器、單芯屏蔽線、加速度計、雙線示波器。 【實驗步驟】 1. 觀察裝于雙平行梁上的壓電加速度計的結(jié)構(gòu)，它主要由壓電陶瓷片及慣性質(zhì)量塊組成。 2. 將壓電加速度計

15、的輸出屏蔽線引到電壓放大器的輸入端，然后將電壓放大器輸出接到低通濾波器的輸入端。 下一頁返回 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及應(yīng)用 3. 接通激振器。 4. 開啟電源，適當(dāng)調(diào)節(jié)低頻振蕩器的幅度，不宜過大。 5. 用示波器的兩個通道同時觀察電壓放大器與低通濾波器的輸出波形。 6. 改變頻率，觀察輸出波形的變化。 7. 用手輕擊實驗臺，觀察輸出波形的變化。可見敲擊時輸出波形會產(chǎn)生“毛刺”，試解釋原因。 8. 關(guān)閉電源，按圖11-8安裝好電渦流傳感器，將原接于電壓放大器輸出端的示波器通道接到渦流變換器的輸出端。將低頻振蕩器的頻率打到5-20H z范圍內(nèi)。 9. 開啟電源，同時觀察壓電加速度計的輸出和

16、渦流傳感器的輸出，注意他們的相位關(guān)系?？梢妰烧呦辔徊罴s為，為什么？ 上一頁下一頁返回 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及應(yīng)用【注意事項】 1. 雙平行梁振動時應(yīng)無碰撞現(xiàn)象，否則將嚴(yán)重影響輸出波形。必要時可松開梁的固定端，小心調(diào)整一個位置。 2. 低頻振蕩器的幅度應(yīng)適當(dāng)，避免失真。 3. 屏蔽線的屏蔽層應(yīng)接地。 4. 由于壓電式傳感器制作困難，動態(tài)范圍可能與電渦流式傳感器不統(tǒng)一，可由其它傳感器如電容式傳感器來觀察相位差。電容式傳感器的輸出波形不經(jīng)過低通雖然不太光滑，但不影響觀察效果。 【問題】為什么電壓放大器與壓電加速度計的接線必須用屏蔽線？否則會產(chǎn)生什么問題？ 上一頁返回 實驗六 磁電式傳感器的

17、特性 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗?zāi)康摹苛私獯烹娛絺鞲衅鞯脑砑靶阅??！緦嶒炘O(shè)備】磁電式傳感器、電渦流傳感器差動放大器、渦流變換器、激振器、示波器。【實驗步驟】 1. 觀察磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)。 2. 將磁電式傳感器的輸出端接到差動放大器的兩輸入端，適當(dāng)旋轉(zhuǎn)增益旋鈕。接通激振器，觀察差動放大器的輸出波形。下一頁返回 實驗六 磁電式傳感器的特性 3. 安裝調(diào)整好電渦流傳感器，接好變換電路，用示波器同時觀察磁電式和電渦流傳感器的輸出波形，注意其相位差。 4. 拆除所有接線，將330H z的低頻信號引入磁電式傳感器，觀察梁的變化?！咀⒁馐马棥坎顒臃糯笃髟鲆娌灰虻锰螅悦獬銎浞糯缶€性范圍。 上一頁

18、返回 實驗七 霍爾式傳感器的特性 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗?zāi)康摹苛私饣魻柺絺鞲衅鞯脑砑疤匦??！緦嶒炘O(shè)備】直流穩(wěn)壓電源霍爾傳感器、磁路系統(tǒng)、電橋、差動放大器、電壓表、直流穩(wěn)壓表、測微頭。【實驗步驟】 1. 設(shè)定旋鈕初始位置：差動放大器增益旋鈕打到最小，電壓表置2V擋，直流穩(wěn)壓電源置2V擋(注意：激勵電壓必須2V，否則霍爾片易損壞！)。 2. 開啟電源，按實驗一的方法對差動放大器調(diào)零。 3. W1、r為直流平衡網(wǎng)絡(luò)中的電橋單元，如圖11-9所示。接好線路，差動增益適中。 下一頁返回 實驗七 霍爾式傳感器的特性 4. 裝好測微頭。即將測微頭與振動臺面連在一起。 5. 調(diào)整W1使電壓表指示為零。

19、 6. 上下旋動測微頭，記下電壓表的讀數(shù)，建議每0.2mm讀一個數(shù)，從15.00mm到5.00mm左右為止。將讀數(shù)填入表11-8. 7. 作出V-X曲線指出線性范圍，求出靈敏度?？梢姡緦嶒灉y出的實際上是磁場的分布情況，它的線性越好，位移測量的線性度也越好，它們的變化越快，位移測量的靈敏度也就越大。【注意事項】 1. 由于磁路系統(tǒng)的氣隙較大，應(yīng)使霍爾片盡量靠近極靴，以提高靈敏度。 2. 一旦調(diào)整好后，測量過程中不能移動磁路系統(tǒng)。 3. 激勵電壓不能增大，以免損壞霍爾片。 上一頁返回 實驗八 熱敏電阻的測溫特性 【實驗性質(zhì)】設(shè)計性實驗【實驗?zāi)康摹苛私釴TC熱敏電阻的溫度效應(yīng)?！緦嶒炓蟆?1.

20、根據(jù)理論課學(xué)習(xí)的內(nèi)容，了解NTC熱敏電阻的測溫原理，設(shè)計一個測量NTC型熱敏電阻溫度特性的實驗方案。 2. 寫出實驗原理、實驗步驟，畫出實驗電路圖。 3. 對實驗結(jié)果進(jìn)行列表統(tǒng)計、分析、計算，畫出其溫度-電壓曲線。 4. 根據(jù)實驗結(jié)果推出NTC型熱敏電阻的溫度特性結(jié)論。 5. 在進(jìn)行具體實驗操作前先擬定實驗方案，經(jīng)實驗指導(dǎo)教師審核通過后方能進(jìn)入實驗室操作?！緦嶒炘O(shè)備】加熱器、熱敏電阻、直流穩(wěn)壓電源、電壓表等。 返回 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應(yīng)用 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗?zāi)康摹?1. 了解光纖位移傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及性能。 2. 了解光纖位移傳感器的測速應(yīng)用?！緦嶒炘O(shè)備】差動放大器、電

21、壓表、光纖傳感器、電阻、F/V表、電機(jī)、直流穩(wěn)壓電源。 【實驗步驟】 (一)光纖位移傳感器特性 1. 觀察光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)，它由兩束光纖混合后，組成Y形光纖，探頭截面為半圓分布。 2. 調(diào)整振動臺面上反射片與光纖探頭間的相對位置，電壓表置2V擋。下一頁返回 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應(yīng)用 3. 按圖11-10所示接線。光/電轉(zhuǎn)換器內(nèi)部已接好，可將輸出電信號直接經(jīng)差動放大器放大。 4. 調(diào)節(jié)測微頭千分卡，使光纖探頭與振動臺面接觸，將差動放大器增益置中，調(diào)節(jié)差動放大器調(diào)零旋鈕使電壓表指示為零。 5. 調(diào)節(jié)測微頭千分卡，或用手輕壓振動臺使臺面脫離開探頭，觀察電壓讀數(shù)小-大-小的變化。將調(diào)節(jié)測

22、微頭到電壓輸出最大的位置，調(diào)節(jié)差動放大器增益將最大值控制在1V左右，必要時反復(fù)調(diào)整零位。 6. 調(diào)節(jié)測微頭，每隔0.1mm讀出電壓表的讀數(shù)，并將其填入表11-9。 7. 作出V-X曲線，計算靈敏度及線性范圍。 上一頁下一頁返回 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應(yīng)用 (二)光纖位移傳感器測速應(yīng)用 1. 將光纖探頭移至電機(jī)(風(fēng)扇)上方并對準(zhǔn)電機(jī)(風(fēng)扇)上的反光片，調(diào)整好光纖探頭與反光片間的距離(電壓表最大輸出值處)。 2. 按圖11-11接線，打開電源。 3. 將直流穩(wěn)壓電源置10V擋，在電機(jī)控制單元接入+10V電壓，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕使電機(jī)轉(zhuǎn)動。 4. 將F/V表置2k擋，用示波器觀察F/V表。輸出端的

23、轉(zhuǎn)速脈沖信號(Vp-p約為5V)。 5. 根據(jù)脈沖信號的頻率及電機(jī)上反光片的數(shù)目換算出此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速?！咀⒁馐马棥咳绻静ㄆ魃嫌^察不到脈沖波形而特性實驗正常，請調(diào)整探頭與電機(jī)間的距離，同時檢查示波器的輸入衰減開關(guān)位置是否合適。 上一頁返回 圖11-1 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀 返回 圖11-2 實驗一 返回 表11-1 測得值 重量W/g電壓V/mV 返回 表11-2 測得值 重量W/g電壓V/mV 返回 表11-3 測得值 重量W/g電壓V/mV 返回 圖11-3 實驗二圖1 返回 表11-4 實驗取得值 位移/mm電壓/mV 返回 圖11-4 實驗二圖2 返回 圖11-5 實驗二圖

24、3 返回 圖11-6 實驗二圖4 返回 表11-5 實驗數(shù)據(jù) F/H z 3 4 5 6 7 8 10 12 20 30V p-p/V返回 圖11-7 實驗四圖 返回 表11-6 實驗數(shù)據(jù) X/mmV/mV 返回 表11-7 實驗數(shù)據(jù) X/mmV/mV 返回 圖11-8 實驗五圖 返回 圖11-9 實驗七圖 返回 表11-8 實驗數(shù)據(jù) X/mmV/VX/mmV/V 返回 圖11-10 實驗九圖1 返回 表11-9 實驗數(shù)據(jù) X/mm 0.1 0.2 1.5 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9指示電壓/VX/mm 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 10.0指示/V 返回 圖11-11 實驗九圖2 返回