自动化 检测实验指导

实验仪器说明实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成。一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁，梁上装有应变式、 热敏式、 P-N 结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符 号和表示。其中六片为金属箔式片（BHF-350 ）。横向所贴的两片为温度补偿片，用 符号和一表示。片上标有“BY”字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。热电式（热电偶）：串接工作的两个铜一康铜热电偶 （T 分度）分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。分度表见实验指导书。热敏式：上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻 MF-51,负温度系数，25C时阻 值为 810K。压电加速度式：位于悬臂梁自由端部，由PZT-5双压电晶片、铜质量块和压簧组成， 装在透明外壳中。实验工作台左边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈安装有（依逆时针方向）电感式（差动变压器）、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式。电感式（差动变压器）：由初级线圈 Li 和两个次级线圈 L 。绕制而成的空心线圈， 圆 柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围 10mm。电容式：由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围三3mm。磁电式：由一组线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度 0.4V/m/s 。霍尔式：半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围三3mm。电涡流式：多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围1mm。 两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢， 右边圆盘式工作台由“激 振I”带动，左边平行式悬臂梁由“激振II”带动。为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组， 加热电源取自 15V 直流电源， 打开加热开关即能加热，工作时能获得高于温度30C左右的升温。以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。两支测微头分别装在左、右两边的支架上。二、信号及仪表显示部分：位于仪器上部面板低频振荡器：130Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流1.5A，Vi端插口 可提供用作电流放大器。音频振荡器：0.4KHz10KHz输出连续可调，Vp-p值20V,180、0为反相输出，Lv 端最大功率输出 1.5A。直流稳压电源：15V,提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出1.5A2V10V，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。数字式电压/频率表：32位显示，分2V、20V、2KHz、20KHz四档，灵敏度三50mV, 频率显示 5Hz20KHz 。指针式直流毫伏表：测量范围 500Mv、50mV、5mV 三档，精度 2.5%。三、处理电路：位于仪器下部面板 电桥：用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1、R2、R3为350 Q标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。23DA差动放大器：增益可调直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益 1-100 倍 光电变换器：提供光纤传感器红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与 频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤（一根接收，一 根发射）组成的光强型光纤传感器。电容变换器：由高频振荡、放大和双 T 电桥组成。移相器：允许输入电压20Vp-p，移相范围土 40（随频率不同有所变化）。相敏检波器：集成运放极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输 入电压至20Vp-p。电荷放大器：电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。 电压放大器：增益 5 倍的高阻放大器。涡流变换器：变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。 温度变换器（信号变换器）：根据输入端热敏电阻值、光敏电阻及 P-N 结温度传感 器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。低通滤波器：由 50Hz 陷波器和 RC 滤波器组成，转折频率 35Hz 左右。 使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面 板左下角处的开关控制处理电路的工作电源，进行实验时请勿关掉。指针式毫伏表工作前需输入端对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现 象，不影响测试。请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试 电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。实验一 热电偶与热敏电阻测温一、热电偶测温（一）实验目的： 观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性，学会查阅热电偶分度表。（二）实验原理： 热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势 通过测量此电动势即可知道两端温差。如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或 0 摄氏 度），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。本仪器中热电偶为铜康铜热电偶。（三）实验所需部件： 热电偶、加热器、差动放大器、电压表、温度计（自备）（四）实验步骤：1. 差动放大器双端输入接入热电偶，打开电源，差动放大器增益放100 倍（顺时针方 向旋到底），调节调零电位器，使差放输出为零。2. 打开加热器，差动放大器输出如有微小变化，马上调节调零电位器再度调零。3. 随加热器温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化，待加热温度不再上升时， 记录电压表读数。4. 本仪器上热电偶是由两只铜康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温， 放大器的增益为 100 倍，计算热电势时均应考虑进去。用温度计读出热电偶参考端所处的室 温 t1 。E（t , t0） = E （t , t1）+E （t1 , t0）实际电动势 测量所得电动势 温度修正电动势式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，t0为热电偶参考端温度为0oC,-为 热电偶参考端所处的温度。查阅铜康铜热电偶分度表，求出加热端温度 t。（五）注意事项：因为仪器中差动放大器放大倍数100倍，所以用差动放大器放大后的热电势并非十分 精确，因此查表所得到的热端温度也为近似值。二、热敏式温度传感器测温实验（一）实验原理： 用半导体材料制成的热敏电阻具有灵敏度高，可以应用于各领域的优点，热电偶一 般测高温时线性较好，热敏电阻则用于200C以下温度较为方便，本实验中所用热敏电阻 为负温度系数。温度变化时热敏电阻阻值的变化导致运放组成的压 /阻变换电路的输出电 压发生相应变化。（二）实验所需部件： 热敏电阻、温度变换器、电压表、温度计、加热器。（三）实验步骤： 1观察装于悬臂梁上封套内的热敏电阻，将热敏电阻接入温度变换器 Rt 端口，调节“增益”旋钮，使加热前电压输出 Vo 端电压值尽可能大但不饱和。用温度计测出环境 温度 To 并记录。2. 打开加热器，观察温度的温升和温度变换器 Vo 端的输出电压的变化情况， 每升温 1C记录一个电压值，待电压稳定后记下最终温度T。根据表中数据作出VT曲线，求出灵敏度S。： = V/AT3负温度系数热敏电阻的电阻温度特性可表示为：Rt = Rto exp Bn (1/T- 1/To)式中Rt、Rto分别为温度T、To时的阻值，Bn为电阻常数，它与材料激活能有关，一般 情况下，Bn=20006000K，在高温时使用，Bn值将增大。实验二 金属箔式应变片三种桥路性能比较一、实验目的：1 观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。 2测试应变梁形变的应变输出。3比较各桥路间的输出关系。二、实验原理： 应变片是最常用的测力传感元件，当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变, 应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通 过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常见的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个 电阻 R1、 R2、 R3、 R4 中，电阻的相对变化率分别为AR . R、AR R、AR R、AR R ，当使用一个应变片时， 工R =；当二个应变片组 11223344R成差动状态工作，则有工R = 2AR ；用四个应变片组成二个差动对工作，且RE4 A RR =。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似1234R等于1/4 E 刀R，电桥灵敏度K = V / AR /R，于是对应于单臂、半桥、全桥的电压灵 u敏度分别为1/4E、1/2E和E。由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度 与各桥臂阻值的大小无关，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。三、实验所需部件：直流稳压电源(土 4V档)、电桥、差动放大器、金属箔式应变片、测微头、电压表。四、实验接线图：图（1）五、实验步骤：1、调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100 倍（顺时针方向旋到底），“+，-”输 入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压 为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。2、按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路，桥路中RR2、R3、和WD为电 桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。 直流激励电源为 4V。3、调节测微头，使悬臂梁处于基本水平状态。4、确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。5、调整电桥电位器WD，使测试系统输出为零。6、旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下输出电压为零， 向上和向下移动各5mm,测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。 根据表中所测数据计算灵敏度S，S = V/X，并在坐标图上做出V-X关系曲线。位移mm电压位移mm电压7、作出全桥测试电路图，接线后按步骤 3、 4、 5、 6进行实验，与单臂桥灵敏度比较， 作出定性的结论。六、注意事项：1 稳压电源不要对地短路。2 直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。3. 由于进行位移测量时测微头要从零一一正的最大值，又回复到零，再从零+ -负的 最大值，因此容易造成零点偏移，计算灵敏度时可将正AX的灵敏度分开计算，再求平均值。实验三 光纤传感器位移、转速测量、实验原理：1、位移测量反射式光纤位移传感器的工作原理如图（2）所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤 一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信 号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照至反射体，被反射的光经接收光纤至光 电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距图（2）反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线2、转速测量 当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化，光电变换器输出电量也发生相应的变 化，经V / F电路变换，成方波频率信号输出。二、实验所需部件： 光纤、光电变换器、低频振荡器、示波器、测微头、反射片、支架、电压 / 频率表、三、实验步骤：1、观察光纤结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为 光源光纤，一半为接收光纤。2、装上光纤探头，探头对准镀铬反射片。3、光电变换器V0端接电压表，开启电源，旋动测微头，带动振动平台，使光纤探头端 面紧贴反射镜面，此时V0输出为最小。然后旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.25mm 取一 V0电压值填入下表，作出VX曲线。X00.250.50.751.01.251.51.752.02.252.52.753.03.253.53.754.0Y得出输出电压特性曲线如图所示，分前坡和后坡，通常测量是采用线性较好的前坡。4、振动实验：将测微头移开，振动台处于自由状态，根据V-X曲线选取前坡中点位置好光纤探头。将低频振荡器输出接“激振I”调节激振频率和幅度，使振动台保持适当幅 度的振动（以不碰到光纤探头为宜）。用示波器观察v0端输出电压波形，并用电压/频率表 读出振动频率。5、转速测量：将光纤探头转一角度置于测速电机上方，并调整探头高度使其距转盘面 1mm左右，光纤探头以对准转盘边缘内3mm处为宜。6、光电变换器F0端分别接电压/频率表和示波器DC档。开启电机开关，调节转盘转速, 用示波器观察输出波形并读出频率。电机转速=F0端方波频率宁2 （每周两个方波信号）四、注意事项：1、光电变换器工作时V0最大输出电压以2V左右为好，通过调节增益控制。2、实验时请保持反射镜片的洁净与光纤端面的垂直度。3、光纤勿成锐角曲折。实验四 差动螺管式电感传感器位移测量一、 实验原理： 利用差动变压器的两个次级线圈和衔铁组成。衔铁和线圈的相对位置变化引起螺管线圈 电感值的变化。次级两个线圈必须呈差动状态连接，当衔铁移动时将使一个线圈电感增加， 而另一线圈电感减小。二、实验所需部件： 差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、 电压表、示波器、测微头。三、实验步骤：1、差动变压器两个次级线圈组成差动状态，按图（3）接线，音频振荡器LV端作为恒 流源供电，差动放大器增益适度。差动变压器的两个线圈和电桥上的两个固定电阻 R 组成 电桥的四臂，电桥的作用是将电感变化转换成电桥电压输出。2、旋动测微头使衔铁在线圈中位置居中，此时LJ =L，系统输出为零。3、当衔铁上、下移动时，L0HLo，电桥失衡就有输出，大小与衔铁位移量成比例, 相位则与衔铁移动方向有关，衔铁向上移动和向下移动时输出波形相位相差约 1800，由于 电桥输出是一个调幅波，因此必须经过相敏检波器后才能判断电压极性，以衔铁位置居中为 起点，分别向上、向下各位移2.5mm,测微头每移动0.25mm记录一个输出电压值，并列表。 根据表中所测数据做出 VX 曲线，求出灵敏度 S。图（3）工作端 温度012345678900.00000.0390.0780.1160.1550.1940.2340.2730.3120.3100.3910.4310.4710.5100.5500.5900.6300.6710.7110.7200.7920.8320.8730.9140.9540.9951.0361.0771.1181.1301.2011.2421.2841.3251.3671.4081.4501.4921.53415401.6181.6611.7031.7451.7881.8301.8731 9161.9582.0502.0442.0872.1302.1742.2172.2602.3042.3472.3912.4602.4782.5222.5662.6102.6542.6982.7432.7872.83128703.9202.9653.0103.0543.0993.1443.1893.2343.2793.3803.3703.4153.4913.5063.5523.5973.6433.6893.7353.7903.8273.8733.9193.9654.0124.0584.1054.1514.1984.21004.2914.3384.3854.4324.4794.5294.5734.6214.6684.7