THSRZ-1型实验指导书2012.4.23

THSRZ-1型传感器系统综合实验装置 简介一、概述THSRZ-1型传感器系统综合实验装置适应不同类别、不同层次专业教学实验、培训、考核的需求，是一套多功能、全方位、综合性、动手型的实验装置，可以与普教中的“物理”，职教、高教中的“传感器技术”、“工业自动化控制”、“非电测量技术与应用”、“工程检测技术与应用”等课程的教学实验配套。二、设备构成实验台主要由试验台部分、三源板部分、处理（模块）电路部分和数据采集通讯部分组成。1. 实验台部分这部分设有1k10kHz音频信号发生器、130Hz低频信号发生器、四组直流稳压电源：15V、+5V、210V、224V可调、数字式电压表、频率/转速表、定时器以及高精度温度调节仪组成。2. 三源板部分 热源：0220V交流电源加热，温度可控制在室温120 oC，控制精度1 oC。 转动源：224V直流电源驱动。 振动源：振动频率1Hz30Hz（可调）。3. 处理（模块）电路部分 包括电桥、电压放大器、差动放大器、电荷放大器、电容放大器、低通滤波器、涡流变换器、相敏检波器、移相器、温度检测与调理、压力检测与调理等共十个模块。4. 数据采集、分析部分 为了加深对自动检测系统的认识，本实验台增设了USB数据采集卡及微处理机组成的微机数据采集系统（含微机数据采集系统软件）。12位A/D转换、采样速度达100kHz，利用该系统软件，可对学生实验现场采集数据，对数据进行动态或静态处理和分析，并在屏幕上生成十字坐标曲线和表格数据，对数据进行求平均值、列表、作曲线图以及对数据进行分析、存盘、打印等处理，实现软件为硬件服务、软件与硬件互动、软件与硬件组成系统的功能。更注重考虑根据不同数据设定采集的速率。详见THSRZ软件使用手册。 本实验台，作为教学实验仪器，大多传感器基本上都做成透明，以便学生有直观的认识，测量连接线用定制的接触电阻极小的迭插式联机插头连接。三、实验内容 结合本装置的数据采集系统，可以完成大部分常用传感器的实验及应用，个别涉及频率特性测试的实验需要普通20MHz带宽示波器完成。实验内容包括金属箔应变传感器、差动变压器、差动电容、霍耳位移、霍耳转速、磁电转速、扩散硅压力传感器、压电传感器、电涡流传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器（AD590）、K型、E型热电偶、PT100铂电阻、湿敏传感器、气敏传感器共17种，三十多个实验。目 录实验一 金属箔式应变片单臂电桥性能实验实验二 金属箔式应变片半桥性能实验实验三 金属箔式应变片全桥性能实验实验四 直流全桥的应用电子秤实验实验五 交流全桥的应用振动测量实验实验六 扩散硅压阻压力传感器差压测量实验实验七 差动变压器的性能实验实验八 差动变压器零点残余电压补偿实验实验九 激励频率对差动变压器特性的影响实验实验十 差动变压器的应用振动测量实验实验十一 电容式传感器的位移特性实验实验十二 电容传感器动态特性实验实验十三 直流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验十四 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验实验十五 霍尔测速实验实验十六 霍尔式传感器振动测量实验实验十七 磁电式转速传感器的测速实验实验十八 压电式传感器振动实验实验十九 电涡流传感器的位移特性实验实验二十 被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特性影响实验实验二十一 电涡流传感器测量振动实验实验二十二 光纤传感器的位移特性实验实验二十三 光纤传感器的测速实验实验二十四 光纤传感器测量振动实验实验二十五 光电转速传感器的转速测量实验实验二十六 PT100温度控制实验实验二十七 集成温度传感器的温度特性实验实验二十八 铂电阻温度特性实验实验二十九 热电偶测温实验实验三十 E型热电偶测温实验实验三十一 热电偶冷端温度补偿实验实验三十二 气敏传感器实验实验三十三 湿敏传感器实验实验三十四 转速控制实验*打*号为演示实验，选做。实验一 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。二、实验仪器：应变传感器实验模块、托盘、砝码、数显电压表、15V、4V电源、万用表（自备）。三、实验原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：R/R=K，式中R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1图1-2通过这些应变片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，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压Uo= （1-1）E为电桥电源电压，R为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为L=。四、实验内容与步骤1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350。2差动放大器调零。从主控台接入15V电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui短接并与地短接，输出端Uo2接数显电压表（选择2V档）。将电位器Rw4调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw3使电压表显示为0V。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）3按图1-2连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。4加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。5在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表1-1，关闭电源。 表11重量(g)电压(mV)五、实验报告根据表11计算系统灵敏度SU/W（U输出电压变化量，W重量变化量）和非线性误差f1=m/yF.S 100，式中m为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yFS为满量程（200g）输出平均值。六、注意事项加在应变传感器上的压力不应过大，以免造成应变传感器的损坏！实验二 金属箔式应变片半桥性能实验一、实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、实验仪器：同实验一三、实验原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，如图2-1。电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善，当两只应变片的阻值相同、应变数也相同时，半桥的输出电压为 Uo=EK/2 = （2-1）E为电桥电源电压，式2-1表明，半桥输出与应变片阻值变化率呈线性关系。四、实验内容与步骤1应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。2差动放大器调零，参考实验一步骤2。3按图2-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两只应变片接入电桥的邻边。4加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。5在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表，关闭电源。表2-1重量(g)电压(mV)五、实验报告根据表2-1的实验资料，计算灵敏度L=U/W，非线性误差f2六、思考题引起半桥测量时非线性误差的原因是什么？ 图2-1实验三 金属箔式应变片全桥性能实验一、实验目的：了解全桥测量电路的优点。二、实验仪器：同实验一。三、实验原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两只应变片接到电桥的对边，不同的接入邻边，如图3-1，当应变片初始值相等，变化量也相等时，其桥路输出：Uo=KE （3-1） E为电桥电源电压，式3-1表明，全桥输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差得到进一步改善。四、实验内容与步骤1应变传感器已安装在应变传感器实验模块上，可参考图1-1。2差动放大器调零，参考实验一步骤2。图3-13按图3-1接线，将受力相反（一片受拉，一片受压）的两对应变片分别接入电桥的邻边。4加托盘后电桥调零，参考实验一步骤4。 5在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，记下实验结果，填入下表3-1，关闭电源。表3-1重量(g)电压(mV)五、实验报告根据记录表3-1的实验资料，计算灵敏度L=U/W，非线性误差f3六、思考题比较单臂、半桥、全桥测量电路的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。 实验四 直流全桥的应用电子称实验一、实验目的：了解直流全桥的应用及电路的定标二、实验仪器：同实验一三、实验原理：电子称实验原理同实验三的全桥测量原理，通过调节放大电路对电桥输出的放大倍数使电路输出电压值为重量的对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成一台比较原始的电子称。四、实验内容与步骤1按实验三的步骤1、2、3接好线并将差动放大器调零。2将10只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器Rw4（相当于信号取样、校准），使数显电压表显示为0.200V（2V档测量）。3拿去托盘上所有砝码，观察数显电压表是否显示为0.000V，若不为零，再次将差动放大器调零和加托盘后电桥调零。4重复2、3步骤，直到精确为止，把电压量纲V改为重量量纲Kg即可以称重。5将砝码依次放到托盘上并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完，计下实验结果，填入表4-1。6去除砝码，托盘上加一个未知的重物（不要超过1Kg），记录电压表的读数。根据实验数据，求出重物的重量。表4-1重量(g)电压(V)五、实验报告根据计入表4-1的实验资料，计算灵敏度L=U/W，非线性误差f4实验五 交流全桥的应用振动测量实验一、实验目的：了解交流全桥测量动态应变参数的原理与方法二、实验仪器：振荡器、万用表（自备）、应变传感器模块、通信接口（包括采集卡及上位机软件）、振动源、三源板上的应变输出、应变输出专用连接线。三、实验原理：将应变传感器模块电桥的直流电源E换成交流电源，则构成一个交流全桥，其输出u= ，用交流电桥测量交流应变信号时，桥路输出为一调制波。四、实验内容与步骤：1不用模块上的应变电阻，改用振动梁上的应变片，通过导线连接到三源板的“应变输出”。2将台面三源板上的应变输出用连接线接到应变传感器实验模块的黑色插座上。图5-13根据图5-1，接好交流电桥调平衡电路及系统，R8、Rw1、C、Rw2为交流电桥调平衡网络。检查接线无误后，合上主控台电源开关，将音频振荡器的频率调节到1KHz左右，幅度峰-峰值调节到Vp-p=10V（频率用频率/转速表监测，幅度用上位机监测）。 4调节Rw1、Rw2使上位机采集到一条在零点的直线。5将低频振荡器输出接入振动台激励源插孔，调低频输出幅度和频率使振动台(圆盘)明显有振动。6低频振荡器幅度调节不变，改变低频振荡器输出信号的频率（用频率/转速表监测），用上位机检测频率改变时差动放大器输出调制波包络的电压峰峰值，填入下表。表5-1f(Hz) Vo(p-p) 五、实验报告 从表5-1的实验数据得出振动梁的共振频率。 实验六 扩散硅压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理与方法。二、实验仪器压力传感器模块、温度传感器模块、数显单元、直流稳压源+5V、15V。三、实验原理在具有压阻效应的半导体材料上用扩散或离子注入法，摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如右图所示：在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。扩散硅压力传感器的工作原理：在X形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电流方向将会产生电场变化，该电场的变 图6.1 扩散硅压力传感器结构图化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo。 （11-1）式中d为元件两端距离。实验原理图如图6.2所示，MPX10有4个引出脚，1脚接地、2脚为Uo+、3脚接+5V电源、4脚为Uo-；当P1P2时，输出为正；P1P2时，输出为负。四、实验内容与步骤1接入+5V、15V直流稳压电源，模块输出端Vo2接控制台上数显直流电压表，选择20V档，打开实验台总电源。4调节Rw2到适当位置并保持不动，用导线将差动放大器的输入端Ui短路，然后调节Rw3使直流电压表200mV档显示为零，取下短路导线。5气室1、2的两个活塞退回到刻度“17”的小孔后，使两个气室的压力相对大气压均为0，气压计指在“零”刻度处，将MPX10的输出接到差动放大器的输入端Ui，调节Rw1使直流电压表200mv档显示为零。6保持负压力输入P2压力零不变，增大正压力输入P1的压力到0.01MPa，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力达到0.095Mpa；填入表6-1。P(KP) Uo2（V）7保持正压力输入P1压力0.095Mpa不变，增大负压力输入P2的压力，从0.01MPa每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力达到0.095Mpa；填入表6-2。P(KP) Uo2（V）8保持负压力输入P2压力0.095Mpa不变，减小正压力输入P1的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P1的压力为0.005Mpa；填入表6-3。P(KP) Uo2（V）9保持负压力输入P1压力0Mpa不变，减小正压力输入P2的压力，每隔0.005Mpa记下模块输出Uo2的电压值。直到P2的压力为0.005Mpa；填入表6-4P(KP) Uo2（V）五、实验报告1根据表6-1、6-2、6-3所得数据，计算压力传感器输入P（P1-P2）输出Uo2曲线。计算灵敏度L=U/P，非线性误差f。 图6-2实验七 差动变压器性能实验一、实验目的了解差动变压器的工作原理和特性二、实验仪器差动变压器模块、测微头、通信接口（含上位机软件）、差动变压器、信号源、直流电源。三、实验原理差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成。铁芯连接被测物体，移动线圈中的铁芯，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈的感应电动势发生变化，一只次级感应电动势增加，另一只感应电动势则减小，将两只次级线圈反向串接（同名端连接）引出差动输出。输出的变化反映了被测物体的移动量。四、实验内容与步骤1根据图7-1将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。 图7-1 图7-22将传感器引线插头插入实验模块的插座中，音频信号由振荡器的“00”处输出，打开主控台电源，调节音频信号输出的频率和幅度（用上位机软件检监测），使输出信号频率为4-5KHz，幅度为Vp-p=2V，按图7-2接线（1、2接音频信号，3、4为差动变压器输出，接放大器输入端）。3用上位机观测Uo的输出，旋动测微头，使上位机观测到的波形峰峰值Vp-p为最小，这时可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，另一个方向位称为负，从Vp-p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从上位机上读出输出电压Vp-p值，填入下表71，再从Vp-p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意左、右位移时，初、次级波形的相位关系。五、实验报告1实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。根据表71画出Vop-pX曲线，作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性误差。表（7-1）差动变压器位移X值与输出电压数据表。V(mV)X(mm)实验八 差动变压器零点残余电压补偿实验一、实验目的：了解差动变压器零点残余电压补偿的方法二、实验仪器：差动变压器模块、测微头、通信接口（含上位机）、差动变压器、信号源、直流电源。三、实验原理：由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列不均匀性，次级线圈的不均匀，不一致性，铁芯的B-H特性非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出并不为零，称其为零点残余电压。四、实验内容与步骤1安装好差动变压器，利用上位机观测并调整音频振荡器“00”输出为4KHz ，2V峰峰值；按图8-1接线。2实验模块R1、C1、RW1、RW2为电桥单元中调平衡网络。3用上位机监测放大器输出；4调整测微头，使放大器输出信号最小。5依次调整RW1、RW2，使上位机显示的电压输出波形幅值降至最小。6此时上位机显示即为零点残余电压的波形。7记下差动变压器的零点残余电压值峰峰值（Vop-p）。（注：这时的零点残余电压经放大后的零点残余电压V零点 p-pK，K为放大倍数）。8可以看出，经过补偿后的残余电压的波形是一不规则波形，这说明波形中有高频成分存在。图8-1 五、实验报告 1分析经过补偿的零点残余电压波形。 实验九 激励频率对差动变压器特性的影响实验一、实验目的：了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响二、实验仪器：同实验七三、实验原理：差动变压器输出电压的有效值可以近似表示为： 式9-1式9-1中Lp、Rp为初级线圈的电感和损耗电阻，Ui、为激励信号的电压和频率，M1、M2为初级与两次级线圈的互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，RP22LP2，则输出电Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当2LP2RP2时输出Uo与无关，当然过高会使线圈寄生电容增大，影响系统的稳定性。四、实验内容与步骤1按照实验七安装传感器和接线。开启主控台电源开关。2选择音频信号的频率为1KHz，Vp-p=2V。（用上位机监测）。3用上位机观察Uo输出波形，移动铁芯至中间位置即输出信号最小时的位置。固定测微头。4旋动测微头，向左（或右）旋到离中心位置1mm处，使Uo有较大的输出。5分别改变激励频率从1KHZ9KHZ，幅值不变，频率由频率/转速表监测。将测试结果记入表91表9-1激励频率与输出电压的关系。F(Hz)1KHz2 KHz3 KHz4 KHz5 KHz6 KHz7 KHz8 KHz9 KHzV0(V)五、实验报告1根据表9-1作出幅频特性曲线。实验十 差动变压器的应用振动测量实验一、实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。二、实验仪器：振荡器、差动变压器模块、相敏检波模块、频率/转速表、振动源、直流稳压电源。通信接口（含上位机软件）。三、实验原理：利用差动变压器测量动态参数与测量位移的原理相同，不同的是输出为调制信号要经过检波才能观测到所测动态参数。四、实验内容与步骤1将差动变压器按图10-1安装在三源板的振动源单元上。 图10-12将差动变压器的输入输出线连接到差动变压器模块上，并按图10-2接线。图10-23检查接线无误后，合上主控台电源开关，用上位机观察音频振荡器“00”输出端信号峰峰值，调整音频振荡器幅度旋钮使Vp-p=2V。4用上位机观察相敏检波器输出，调整传感器连接支架高度，使上位机显示的波形幅值为最小。用“紧定旋钮”固定。5仔细调节RW1和RW2使相敏检波器输出波形幅值更小，基本为零点。用手按住振动平台（让传感器产生一个大位移）仔细调节移相器和相敏检波器的旋钮，使上位机显示的波形为一个接近全波整流波形。松手，整流波形消失变为一条接近零点线。（否则再调节RW1和RW2）6振动源“低频输入”接振荡器“低频输出”，调节低频输出幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。分别用上位机软件观察放大器Uo1、相敏检波器的Uo2及低通滤波器的Uo3的波形。 7保持低频振荡器的幅度不变，改变振荡频率（频率与输出电压Vp-p的监测方法与实验八相同）用上位机软件观察低通滤波器的输出，读出峰峰电压值，记下实验数据，填入下表101表101f(Hz)Vp-p(V)五、实验报告1根据实验结果作出梁的振幅频率特性曲线，指出自振频率的大致值，并与用应变片测出的结果相比较。2保持低频振荡器频率不变，改变振荡幅度，同样实验可得到振幅与电压峰峰值Up-p曲线（定性）。六、注意事项1低频激振电压幅值不要过大，以免梁在共振频率附近振幅过大。实验十一 电容式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电容传感器的结构及特点二、实验仪器：电容传感器、电容传感器模块、测微头、数显直流电压表、直流稳压电源、绝缘护套三、实验原理：电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容量变化的一种传感器它实质上是具有一个可变参数的电容器。利用平板电容器原理： （11-1）式中，S为极板面积，d为极板间距离，0真空介电常数，r介质相对介电常数，由此可以看出当被测物理量使S、d或r发生变化时，电容量C随之发生改变，如果保持其中两个参数不变而仅改变另一参数，就可以将该参数的变化单值地转换为电容量的变化。所以电容传感器可以分为三种类型：改变极间距离的变间隙式，改变极板面积的变面积式和改变介质电常数的变介电常数式。这里采用变面积式，如图11-1两只平板电容器共享一个下极板，当下极板随被测物体移动时，两只电容器上下极板的有效面积一只增大，一只减小，将三个极板用导线引出，形成差动电容输出。 图11-1四、实验内容与步骤1按图11-2将电容传感器安装在电容传感器模块上，将传感器引线插入实验模块插座中。图11-22将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表。3接入15V电源，合上主控台电源开关，将电容传感器调至中间位置，调节Rw，使得数显直流电压表显示为0（选择2V档）。（Rw确定后不能改动）4旋动测微头推进电容传感器的共享极板（下极板），每隔0.2mm记下位移量X与输出电压值V的变化，填入下表11-1X(mm) V(mV)五、实验报告：1根据表11-1的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。实验十二 电容传感器动态特性实验一、实验目的：了解电容传感器的动态性能的测量原理与方法。二、实验仪器：电容传感器、电容传感器模块、相敏检波模块、振荡器频率/转速表、直流稳压电源、振动源、通信接口（含上位机软件）。三、实验原理：与电容传感器位移特性实验原理相同四、实验内容与步骤：1传感器的安装如图10-1，传感器引线接入传感器模块，输出端Uo接相敏检波模块低通滤波器的输入Ui端，低通滤波器输出Uo接通信接口CH1。调节Rw到最大位置（顺时针旋到底），通过“紧定旋钮”使电容传感器的动极板处于中间位置，Uo输出为0。2主控台振荡器“低频输出”接到振动台的“激励源”，振动频率选“5-15Hz”之间，振动幅度初始调到零。3将主控台15V的电源接入实验模块，检查接线无误后，打开主控台总电源，调节振动源激励信号的幅度，用通信接口CH1观察实验模块输出波形。4保持振荡器“低频输出”的幅度旋钮不变，改变振动频率（用数显频率计监测），从上位机测出Uo输出的峰-峰值。保持频率不变，改变振荡器“低频输出”的幅度，测量Uo输出的峰-峰值。五、实验报告：1分析差动电容传感器测量振动的波形。实验十三 直流激励时霍尔传感器的位移特性实验一、实验目的：了解霍尔传感器的原理与应用。二、实验仪器：霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。三、实验原理：根据霍尔效应，霍尔电势UH=KHIB，其中KH为灵敏度系数，由霍尔材料的物理性质决定，当通过霍尔组件的电流I一定，霍尔组件在一个梯度磁场中运动时，就可以用来进行位移测量。四、实验内容与步骤1将霍尔传感器按图13-1安装，传感器引线接到霍尔传感器模块9芯航空插座。按图13-2接线。2开启电源，直流数显电压表选择“2V”档，将测微头的起始位置调到“1cm”处，手动调节测微头的位置，先使霍尔片大概在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw1使数显表显示为零。3分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表X（mm）U(mV) 表13-1 图13-2 霍尔传感器直流激励接线图五、实验报告作出UX曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。实验十四 交流激励时霍尔式传感器的位移特性实验一、实验目的：了解交流激励时霍尔传感器的特性二、实验仪器：霍尔传感器模块、霍尔传感器、测微头、直流电源、数显电压表。三、实验原理：交流激励时霍尔式传感器与直流激励一样，基本工作原理相同，不同之处是测量电路。四、实验内容与步骤：1传感器的安装如图13-1，接线如下图。图14-12调节振荡器的音频调频和音频调幅旋钮，使音频振荡器的“00”输出端输出频率为1K，Vp-p=4V的正弦波（注意：峰峰值不应过大，否则烧毁霍尔组件）。3开启电源，直流数显电压表选择“200mV”档，将测微头的起始位置调到“10mm”处，手动调节测微头的位置，使霍尔片大概在磁钢的中间位置（数显表大致为0），固定测微头，再调节Rw1使数显表为零。4分别向左、右不同方向旋动测微头，每隔0.2mm记一个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表。X（mm）U(mV) 表14-1五、实验报告 作出UX曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。实验十五 霍尔测速实验一、实验目的：了解霍尔组件的应用测量转速。二、实验仪器：霍尔传感器、+5V、224V直流电源、转动源、频率/转速表。三、实验原理；利用霍尔效应表达式：UHKHIB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，转盘每转一周磁场变化N次，每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测出被测旋转物的转速。四、实验内容与步骤1安装根据图15-1，霍尔传感器已安装于传感器支架上，且霍尔组件正对着转盘上的磁钢。图15-12将+5V电源接到三源板上“霍尔”输出的电源端，“霍尔”输出接到频率/转速表（切换到测转速位置）。“224V”直流稳压电源接到“转动源”的“转动电源”输入端。3合上主控台电源，调节224V输出，可以观察到转动源转速的变化。也可通过通信接口的第一通道CH1，用上位机软件观测霍尔组件输出的脉冲波形。五、实验报告1分析霍尔组件产生脉冲的原理。2根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。实验十六 霍尔式传感器振动测量实验一、实验目的：了解霍尔组件的应用测量振动二、实验仪器：霍尔传感器模块、霍尔传感器、振动源、直流稳压电源、通信接口三、实验原理：这里采用直流电源激励霍尔组件，原理参照实验十三四、实验内容与步骤1将霍尔传感器按图10-1安装在振动台上。传感器引线接到霍尔传感器模块的9芯航空插座。按下图接线。打开主控台电源。 图16-12先将传感器固定在传感器支架的连桥板上，调节“紧定旋钮”和“微动升降旋钮”使霍尔传感器大致处于磁芯的中间位置，调节Rw1使输出Uo为0；调节“低频调幅”旋钮到中间位置，调节“低频调频”旋钮使低频输出为5Hz，将实验台上的“低频输出”接到三源板的“激振源输入”，使振动梁振动。3通过通信接口的CH1通道用上位机软件观测其输出波形。可调节“低频调幅”和“低频调频”旋钮，观测振动源在不同振幅和频率的波形。（避免在“低频调幅”最大的时候使振动台达到共振，共振频率13Hz左右，以免损坏传感器）五、实验报告1选择不同的中心点测量振动，比较霍尔输出波形的变化，并分析其原因2考虑用交流激励霍尔组件，输出应是什么波形。实验十七 磁电式传感器的测速实验一、实验目的：了解磁电式传感器的原理及应用。二、实验仪器：转动源、磁电感应传感器、224V直流电源、频率/转速表、通信接口（含上位机软件）三、实验原理：磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础，根据电磁感应定律，线圈两端的感应电动势正比于线圈所包围的磁通对时间的变化率，即 其中W是线圈匝数，线圈所包围的磁通量。若线圈相对磁场运动速度为v或角速度w，则上式可改为e=-WBlv或者e=-WBSw，l为每匝线圈的平均长度；B线圈所在磁场的磁感应强度；S每匝线圈的平均截面积。四、实验内容与步骤1按下图安装磁电感应式传感器。传感器底部距离转动源45mm（目测），“转动电源”接到224V直流电源输出（注意正负极，否则烧坏电机）。磁电式传感器的两根输出线接到频率/转速表。2调节224V电压调节旋钮，改变转动源的转速，通过通信接口的CH1通道用上位机软件观测其输出波形。图17-1五、实验报告1分析磁电式传感器测量转速原理。 2根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。实验十八 压电式传感器振动实验一、实验目的：了解压电式传感器测量振动的原理和方法。二、实验仪器：振动源、低频振荡器、直流稳压电源、压电传感器模块、移相检波低通模块三、实验原理：压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。四、实验内容与步骤1压电传感器已安装在振动梁的圆盘上。2将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按下图18-1接线，合上主控台电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅逐渐增大（直到共振）。3将压电传感器的输出端接到压电传感器模块的输入端Ui1，Uo1接Ui2，Uo2接移相检波低通模块低通滤波器输入Ui，输出Uo接通信接口CH1，用上位机观察压电传感器的输出波形Uo。图18-1五、实验报告1改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电传感器输出波形的频率和幅值。实验十九 电涡流传感器的位移特性实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。二、实验仪器：电涡流传感器、铁圆盘、电涡流传感器模块、测微头、直流稳压电源、数显直流电压表、测微头。三、实验原理：通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。四、实验内容与步骤1按下图19-1安装电涡流传感器。 图19-12在测微头端部装上铁质金属圆盘，作为电涡流传感器的被测体。调节测微头，使铁质金属圆盘的平面贴到电涡流传感器的探测端，固定测微头。图19-23传感器连接按图19-2，将电涡流传感器连接线接到模块上标有“”的两端，实验范本输出端Uo与数显单元输入端Ui相接。数显表量程切换开关选择电压20V档，模块电源用连接导线从主控台接入+15V电源。 4合上主控台电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入下表19-1。X（mm）UO(V)表19-1五、实验报告1根据表19-1数据，画出UX曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，并计算量程为1mm、3 mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端点法或其它拟合直线）。实验二十 被测体材质、面积大小对电涡流传感器的特性影响实验一、实验目的：了解不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。二、实验仪器：除实验十九所需仪器外，另加铜和铝的被测体圆盘。三、实验原理：涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。在实际应用中，由于被测体的材料、形状和大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分，会减弱甚至不产生涡流效应，因此影响电涡流传感器的静态特性，所以在实际测量中，往往必须针对具体的被测体进行静态特性标定。四、实验内容与步骤：1安装图及接线图与实验十九相同。2重复实验十九的步骤，将铁质金属圆盘分别换成铜质金属圆盘和铝质金属圆盘。将实验资料分别记入下面表20-1、20-2。表20-1 铜质被测体X（mm）V(V) 表20-2 铝质被测体X（mm）V(V)3重复实验十九的步骤，将被测体换成比上述金属圆片面积更小的被测体，将实验资料记入下表20-3。表20-3 小直径的铝质被测体X（mm）V(V)五、实验报告1根据表20-1、表20-2和表20-3分别计算量程为1mm和3mm时的灵敏度和非线性误差（线性度）。实验二十一 电涡流传感器测量振动实验一、实验目的：了解电涡流传感器测量振动的原理与方法。二、实验仪器：电涡流传感器、振动源、低频振荡器、直流稳压电源、电涡流传感器模块、通信接口（含上位机软件）、铁质圆片。三、实验原理：根据电涡流传感器动态特性和位移特性，选择合适的工作点即可测量振幅。四、实验内容与步骤1将铁质被测体平放到振动台面的中心位置，根据图21-1安装电涡流传感器，注意传感器端面与被测体振动台面（铁材料）之间的安装距离即为线形区域（可利用实验二十中铁材料的特性曲线找出）。2将电涡流传感器的连接线接到模块上标有“”的两端，模块电源用连接导线从主控台接入+15V电源。实验模板输出端与通信接口的CH1相连。将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”端，“低频调频”调到最小位置、“低频调幅”调到最大位置，合上主控台电源开关。3调节“低频调频”旋钮，使振动台有微小振动（不要达到共振状态）。从上位机观察电涡流实验模块的输出波形。（注意不要达到共振，共振时，幅度过大，振动面可能会面传感器接触，容易损坏传感器） 图21-1五、思考题：1有一个振动频率为10KHz的被测体需要测其振动参数，你是选用压电式传感器还是电涡流传感器或认为两者均可？实验二十二 光纤传感器位移特性实验一、 实验目的：了解反射式光纤位移传感器的原理与应用。二、实验仪器：光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、测微头、反射面、直流电源、数显电压表。三、实验原理：反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。其原理如图22-1所示：光纤采用型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射面，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接收到的光源与反射体表面的性质及反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。显然，当光纤探头紧贴反射面时，接收器接收到的光强为零。随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。反射式光纤位移传感器是一种非接触式测量，具有探头小，响应速度快，测量线性化（在小位移范围内）等优点，可在小位移范围内进行高速位移检测。 图22-1 反射式光纤位移传感器原理 图22-2 光纤位移传感器安装示意图四、实验内容与步骤1光纤传感器的安装如图22-2所示，将Y型光纤安装在光纤位移传感器实验模块上。探头对准镀铬反射板，调节光纤探头端面与反射面平行，距离适中；固定测微头。接通电源预热数分钟。2将测微头起始位置调到14cm处，手动使反射面与光纤探头端面紧密接触，固定测微头。3实验模块从主控台接入15V电源，合上主控台电源。4将模块输出“Uo”接到直流电压表（20V档），仔细调节电位器Rw使电压表显示为零。5旋动测微器，使反射面与光纤探头端面距离增大，每隔.1读出一次输出电压值，填入下表22-1X（mm）Uo(V)五、实验报告 1根据所得的实验数据，确定光纤位移传感器大致的线性范围，并给出其灵敏度和非线性误差。实验二十三 光纤传感器的测速实验一、实验目的：了解光纤位移传感器用于测转速的方法。二、实验仪器：光纤位移传感器模块、Y型光纤传感器、直流稳压电源、数显直流电压表、频率/转速表、转动源、通信接口（含上位机软件）。三、实验原理：利用光纤位移传感器探头对旋转被测物反射光的明显变化产生电脉冲，经电路处理即可测量转速。四、实验内容与步骤1将光纤传感器按图17-1安装在传感器支架上，使光纤探头对准转动盘边缘的反射点，探头距离反射点1mm左右（在光纤传感器的线性区域内）。2用手拨动一下转盘，使探头避开反射面（避免产生暗电流），接好实验模块15V电源，模块输出Uo接到直流电压表输入。调节Rw使直流电压表显示为零。（Rw确定后不能改动）3将模块输出Uo接到频率/转速表的输入“fin”。4将224V直流电源先调到最小，接到三源板的“转动电源”输入端，合上主控台电源开关，逐步增大224V输出，用直流电压表监测转动源的驱动电压，并记下相应的频率/转速表读数。五、思考题1分析光纤传感器测量转速原理。 2根据记录的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。实验二十四 光纤传感器测量振动实验一、实验目的：了解光纤传感器动态位移性能。二、实验仪器：光纤位移传感器、光纤位移传感器实验模块、振动源、低频振荡器、通信接口（含上位机软件）。三、 实验原理：利用光纤位移传感器的位移特性和其较高的频率响应，用合适的测量电路即可测量振动。四、实验内容与步骤1光纤位移传感器安装如图24-1所示，光纤探头对准振动平台的反射面，并避开振动平台中间孔。 图24-12根据实验二十三的结果，找出线性段的中点，通过调节安装支架高度将光纤探头与振动台台面的距离调整在线性段中点（大致目测）。3将光纤传感器的另一端的两根光纤插到光纤位移传感器实验模块上（参考图22-2），接好模块15V电源，模块输出接到通信接口CH1通道。振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”端，并把低频调幅旋钮打到最大位置，低频调频旋钮打到最小位置。4合上主控台电源开关，逐步调大低频输出的频率，使振动平台发生振动，注意不要调到共振频率，以免振动梁发生共振，碰坏光纤探头，通过通信接口CH1用上位机软件观察输出波形，并记下幅值和频率。实验二十五 光电转速传感器的转速测量实验一、 实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、 实验仪器：转动源、光电传感器、直流稳压电源、频率/转速表、通信接口（含上位机软件）。三、 实验原理：光电式转速传感器有反射型和透射型二种，本实验装置是透射型的，传感器端部有发光管和光电池，发光管发出的光源通过转盘上的孔透射到光电管上，并转换成电信号，由于转盘上有等间距的6个透射孔，转动时将获得与转速及透射孔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。四、 实验内容与步骤1光电传感器已安装在转动源上，如下图所示。224V电压输出接到三源板的“转动电源”输入，并将224V输出调节到最小，+5V电源接到三源板“光电”输出的电源端，光电输出接到频率/转速表的“fin”。2合上主控制台电源开关，逐渐增大224V输出，使转动源转速加快，观测频率/转速表的显示，同时可通过通信接口的CH1用上位机软件观察光电传感器的输出波形。 图25-1五、实验报告1根据测的驱动电压和转速，作V-RPM曲线。并与其他传感器测得的曲线比较。实验二十六 PT100温度控制实验一、实验目的：了解PID智能模糊+位式调节温度控制原理。二、实验仪器：智能调节仪、PT100、温度源。三、实验原理：位式调节位式调节（ON/OFF）是一种简单的调节方式，常用于一些对控制精度不高的场合作温度控制，或用于报警。位式调节仪表用于温度控制时，通常利用仪表内部的继电器控制外部的中间继电器再控制一个交流接触器来控制电热丝的通断达到控制温度的目的。PID智能模糊调节PID智能温度调节器采用人工智能调节方式，是采用模糊规则进行PID调节的一种先进的新型人工智能算法，能实现高精度控制，先进的自整定（AT）功能使得无需设置控制参数。在误差大时，运