传感器技术及应用第十一章传感器实验指导.ppt

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第 11章 传感器实验指导 CSY-998型传感器系统实验仪 实验一 金属应变片:单臂、半桥、全桥 功能比较 实验二 差动变压器的特性及应用 实验三 差动螺线管电感式传感器的特性 实验四 差动变面积式电容传感器的特性 实验五 压电加速度传感器的特性及应用 实验六 磁电式传感器的特性 实验七 霍尔式传感器的特性 实验八 热敏电阻的测温特性 实验九 光纤位移传感器的特性及应用 CSY-998型传感器系统实验仪 【 实验仪简介 】 CSY-998型传感器系统实验仪是由浙江大学杭州高联传感技 术有限公司研制生产的一种专门用于传感器与自动检测技术 课程实验教学的仪器,该实验仪如 图 11-1所示。它主要由各 类传感器 (包括应变式、压电式、磁电式、电容式、霍尔式、 热电偶、热敏电阻、差动变压器、涡流式、光纤传感器等 )、 测量电路 (包括电桥、差动放大器、电容放大器、电压放大器、 电荷放大器、涡流变换器、移相器、相敏检波器、低通滤波 器等 )及其接口插孔等组成。该系统还提供了直流稳压电源、 音频振荡器、低频振荡器、 F/V表、电机控制器等。 下一页 返回 CSY-998型传感器系统实验仪 【 使用注意事项 】 1. 应在确保接线无误后才能开启电源。 2. 迭插式插头应避免拉扯,以防插头折断。 3. 对从电源、振荡器引出的线要特别注意,不要接触机壳造 成短路,也不能将这些引线到处乱插,否则,很可能引起仪 器损坏。 4. 用激振器时不要将低频振荡器的激励信号开得太大,以免 梁的振幅过大而损坏。 5. 音频振荡器接低阻负载 (小于 100)时,应从 LV口输出,不 能从另两个电压输出插口输出。 上一页 返回 实验一 金属应变片:单臂、半桥、 全桥功能比较 【 实验性质 】 验证性实验 【 实验目的 】 1. 观察了解金属应用片的结构和粘贴方式。 2. 测试悬臂梁变形的应变输出。 3. 验证单臂、半桥、全桥测量电桥的输出关系,比较不同桥 路的功能。 【 实验设备 】 直流稳压电源、差动放大器、电桥、应变式传感器 (电阻应变 片 )、电压表。 【 实验原理 】 应变片是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感 元件。 下一页 返回 实验一 金属应变片:单臂、半桥、 全桥功能比较 使用应变片时,将其贴于测试件表面上。当测试件受力变形 时,应变片也随之产生形变,相应的电阻值将发生变化,通 过测量电路最终将其转换为电压或电流的变化,测出应变片 的灵敏度。 电桥是将被测非电量转换成电压或电流的一种常用的方法。 【 实验步骤 】 1. 设定旋钮的初始位置:直流稳压电源打到 2V挡,电压表 打到 2V挡,差动放大器增益打到最大。 2. 将差动放大器调零。方法:用实验线将差放的正负输入端 与地端连接在一起,增益设置在最大位置,然后将输出端接 到电压表的输入插口,打开主、副电源,调整差放的调零旋 钮使表头指示为 0。 3. 根据 图 11-2的电路结构,利用电桥单元上的接线插孔和调 零网络连接好测量线路 (差动放大器接成同相或反相均可 )。 图中 R4为工作应变片, R1、 R2和 R3为普通电阻, W1为可调电 位器, r为调平衡电阻。电源由直流稳压电源提供。 上一页 下一页 返回 实验一 金属应变片:单臂、半桥、 全桥功能比较 4. 将直流稳压电源打到 4V挡。选择适当的放大增益,然后 调整电桥平衡电位器,使表头指零需预热几分钟表头才能稳 定下来。 5. 加上砝码,每加一个读数,将测得数值填入 表 11-1。 6. 保持放大器增益不变,将 R3换为与 R4工作状态相反的另一 应变片,形成半桥,调整电桥平衡电位器,使表头指零。然 后依次加上砝码,同样测出读数,填入 表 11-2。 7. 保持差动放大器增益不变,将 R1、 R2两个电阻换成另两片 工作片,接成一个直流全桥,通过电桥平衡电位器调好零点。 依次加上砝码,将读出数据填入 表 11-3。 8. 在同一坐标纸上描出 W-V曲线,比较三种接法的灵敏度 S。 上一页 下一页 返回 实验一 金属应变片:单臂、半桥、 全桥功能比较 【 问题 】 1. 根据实际测试的数据与理论上推导的公式相比较,结论如 何? 2. 对桥路测量线路有何特别的要求?为什么? 【 注意事项 】 1. 在更换应变片时应将电源关闭,以免损坏应变片。 2. 在实验过程中如果发现电压表发生过载,应将量程扩大或 将差放增益减小。 3. 直流稳压电源不能打的过大,以免损坏应变片或造成严重 自燃效应。 4. 接全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向,保证 R1与 R3工作状态相同, R2与 R4工作状态相同。 5. 在本实验中只能将放大器接成差动形式,否则系统不能正 常工作。 上一页 返回 实验二 差动变压器的特性及应用 【 实验性质 】 综合性实验 【 实验目的 】 1. 了解差动变压器的原理及工作情况。 2. 了解如何用适当的网络线路对残余电压进行补偿。 3. 了解差动变压器的实际应用。 【 实验仪器 】 音频振荡器、测微头、双线示波器、电桥、差动变压器、差 动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、低 频振荡器、激振器。 【 实验步骤 】 (一 ) 差动变压器性能检测 1. 设定有关旋钮初始位置:音频振荡器 4kHz,双线示波器第 一通道灵敏度 500mV/cm,第二通道灵敏度 20mV/cm,触发 选择打到第一通道。 下一页 返回 实验二 差动变压器的特性及应用 2. 按 图 11-3接线,音频振荡器必须从 LV接出。 3. 调整音频振荡器幅度旋钮,使音频 LV信号输入到初级线圈 的电压为 2Vp-p。 4. 旋动测微头,从示波器上读出次级输出电压 Vp-p值填入 表 11-4。 读出过程中应注意初、次级波形的相位关系:当铁芯从上至 下时,相位由 _相变为 _相。 5. 仔细调节测微头使次级的差动输出电压为最小,必要时应 将通道二的灵敏度打到较高挡,如 0.2V/cm,这个最小电压叫 做 ,可以看出它与输入电压的相 位差约为 _,因此是 _正交分量。 6. 根据所得结果,画出 (Vp-p-X)曲线,指出线性工作范围,求 出灵敏度 【 注意事项 】 (1) 差动变压器的激励源必须从音频振荡器的电流输出口 (LV 插口 )输出。 上一页 下一页 返回 实验二 差动变压器的特性及应用 (2) 差动变压器的两个次级线圈必须接成差动形式,即同名端 相连,这可通过信号相位有否变化判别之。 (3) 差动变压器与示波器的连线应尽量短一些,以免引入干扰。 (二 ) 差动变压器零点残余电压的补偿 1. 设定有关旋钮的初始位置:音频振荡器 4kHz,双线示波器 第一通道灵敏度 500mV/cm,第二通道灵敏度 1V/cm,触发选 择打到第一通道,差动放大器的增益旋到最大。 2. 观察差动变压器的结构。按 图 11-4接线,音频振荡必须从 LV插口输出, W1、 W2、 r、 c为电桥单元中调平衡网络。 3. 利用示波器,观察示波器第一通道的读数,调整音频振荡 器的幅度旋钮,使其输出为 2Xp-p值。 4. 调整测微头,观察示波器第二通道的读数,使差动放大器 输出电压最小。 上一页 下一页 返回 实验二 差动变压器的特性及应用 5. 依次调整 W1和 W2,使输出电压进一步减小,必要时重新调 节测微头。 6. 将第二通道的灵敏度提高,观察零点残余电压的波形,注 意与激励电压波形相比较。 经过补偿后的残余电压波形为 _波形,这说明波形中 有 _分量。 【 注意事项 】 1. 由于该补偿线路要求差动变压器的输出必须悬浮。因此 ,次 级输出波形难以用一般示波器来看,要用差动放大器使双端 转换为单端输出。 2. 音频信号必须从 LV插口引出。 3. 本实验也可用 图 11-5所示线路,试解释原因。 (三 )差动变压器在振动测量中的应用 1. 设定有关旋钮的初始位置:音频振荡器 4kHz,差动放大器 增益适中。 2. 按 图 11-6接线,并调整好有关部分。 上一页 下一页 返回 实验二 差动变压器的特性及应用 3. 利用示波器,使音频振荡器的输出为 1.5Vp-p。 4. 将激振器接通,适当旋动幅度旋钮。 5. 保持低频振荡器的幅度不变,改变低频振荡器的频率,用 示波器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 表 11-5。 6. 根据实验结果作出梁的振幅 -频率特征曲线,指出自振频率 的大致值,并与用应变片测出的结果相比较。 【 注意事项 】 适当选择低频激振电压,以免梁在自振频率附近振幅过大。 【 问题 】 如果用直流电压表来读数,需增加哪些测量单元?测量线路 该如何? 上一页 返回 实验三 差动螺线管电感式传感器的 特性 【 实验性质 】 设计性实验 【 实验目的 】 通过该实验进一步掌握差动式测量电路的使用方法和螺线管 电感式传感器的特性。 【 实验要求 】 1. 参考差动变压器的实验原理,设计一个差动螺线管电感式 传感器的测量线路,并进行位移测量。 2. 写出实验原理、实验步骤,对实验结果进行列表、分析、 计算,画出其 V-X曲线。 3. 从理论和实际测试系统两个方面找出产生误差的原因。 4. 在进行具体实验操作前先拟定实验方案,经实验指导教师 审核通过后方能进入实验室操作。 【 实验设备 】 音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低 频滤波器、电压表、测微头、示波器。 返回 实验四 差动变面积式电容传感器的 特性 【 实验性质 】 验证性实验 【 实验目的 】 了解差动变面积式电容传感器的原理及特性。 【 实验设备 】 电容传感器、差动放大器、低通滤波器、 V/F表、激振器、 示波器。 【 实验步骤 】 1. 差动放大器调零,按 图 11-7接线。 2. 差动放大器增益旋钮置中间, V/F表打到 2V挡,调节测微 头,使输出为零。 下一页 返回 实验四 差动变面积式电容传感器的 特性 3. 旋动测微头,每次 0.5mm,记下此时测微头的读数及电压 表的读数,直至电容动片与上或下静片覆盖面积最大为止, 见 表 11-6。 退回测微头至初始位置。并开始以相反方向旋动。同上法, 记下 X(mm)及 V(mV)值,见 表 11-7。 4. 计算系统灵敏度 并作出 V-X曲线。 5. 移开测微头,断开电压表,接通激振器,使振动台振动用 示波器观察输出波形。 VS X 上一页 返回 实验五 压电加速度传感器的特性及 应用 【 实验性质 】 验证性实验 【 实验目的 】 了解压电加速度传感器的原理、结构及应用。 【 实验设备 】 低频振荡器、电压放大器、低通滤波器、涡流传感器、涡流 变换器、单芯屏蔽线、加速度计、双线示波器。 【 实验步骤 】 1. 观察装于双平行梁上的压电加速度计的结构,它主要由压 电陶瓷片及惯性质量块组成。 2. 将压电加速度计的输出屏蔽线引到电压放大器的输入端, 然后将电压放大器输出接到低通滤波器的输入端。 下一页 返回 实验五 压电加速度传感器的特性及 应用 3. 接通激振器。 4. 开启电源,适当调节低频振荡器的幅度,不宜过大。 5. 用示波器的两个通道同时观察电压放大器与低通滤波器的 输出波形。 6. 改变频率,观察输出波形的变化。 7. 用手轻击实验台,观察输出波形的变化。可见敲击时输出 波形会产生“毛刺”,试解释原因。 8. 关闭电源,按 图 11-8安装好电涡流传感器,将原接于电压 放大器输出端的示波器通道接到涡流变换器的输出端。将低 频振荡器的频率打到 5-20Hz范围内。 9. 开启电源,同时观察压电加速度计的输出和涡流传感器的 输出,注意他们的相位关系。可见两者相位差约 为 ,为什么? 上一页 下一页 返回 实验五 压电加速度传感器的特性及 应用 【 注意事项 】 1. 双平行梁振动时应无碰撞现象,否则将严重影响输出波形。 必要时可松开梁的固定端,小心调整一个位置。 2. 低频振荡器的幅度应适当,避免失真。 3. 屏蔽线的屏蔽层应接地。 4. 由于压电式传感器制作困难,动态范围可能与电涡流式传 感器不统一,可由其它传感器如电容式传感器来观察相位差。 电容式传感器的输出波形不经过低通虽然不太光滑,但不影 响观察效果。 【 问题 】 为什么电压放大器与压电加速度计的接线必须用屏蔽线?否 则会产生什么问题? 上一页 返回 实验六 磁电式传感器的特性 【 实验性质 】 验证性实验 【 实验目的 】 了解磁电式传感器的原理及性能。 【 实验设备 】 磁电式传感器、电涡流传感器差动放大器、涡流变换器、激 振器、示波器。 【 实验步骤 】 1. 观察磁电式传感器的结构。 2. 将磁电式传感器的输出端接到差动放大器的两输入端,适 当旋转增益旋钮。接通激振器,观察差动放大器的输出波形。 下一页 返回 实验六 磁电式传感器的特性 3. 安装调整好电涡流传感器,接好变换电路,用示波器同时 观察磁电式和电涡流传感器的输出波形,注意其相位差。 4. 拆除所有接线,将 3 30Hz的低频信号引入磁电式传感器, 观察梁的变化。 【 注意事项 】 差动放大器增益不要打得太大,以免超出其放大线性范围。 上一页 返回 实验七 霍尔式传感器的特性 【 实验性质 】 验证性实验 【 实验目的 】 了解霍尔式传感器的原理及特性。 【 实验设备 】 直流稳压电源霍尔传感器、磁路系统、电桥、差动放大器、 电压表、直流稳压表、测微头。 【 实验步骤 】 1. 设定旋钮初始位置:差动放大器增益旋钮打到最小,电压 表置 2V挡,直流稳压电源置 2V挡 (注意:激励电压必须 2V, 否则霍尔片易损坏! )。 2. 开启电源,按实验一的方法对差动放大器调零。 3. W1、 r为直流平衡网络中的电桥单元,如 图 11-9所示。接好 线路,差动增益适中。 下一页 返回 实验七 霍尔式传感器的特性 4. 装好测微头。即将测微头与振动台面连在一起。 5. 调整 W1使电压表指示为零。 6. 上下旋动测微头,记下电压表的读数,建议每 0.2mm读一 个数,从 15.00mm到 5.00mm左右为止。将读数填入 表 11-8. 7. 作出 V-X曲线指出线性范围,求出灵敏度。 可见,本实验测出的实际上是磁场的分布情况,它的线性越 好,位移测量的线性度也越好,它们的变化越快,位移测量 的灵敏度也就越大。 【 注意事项 】 1. 由于磁路系统的气隙较大,应使霍尔片尽量靠近极靴,以 提高灵敏度。 2. 一旦调整好后,测量过程中不能移动磁路系统。 3. 激励电压不能增大,以免损坏霍尔片。 上一页 返回 实验八 热敏电阻的测温特性 【 实验性质 】 设计性实验 【 实验目的 】 了解 NTC热敏电阻的温度效应。 【 实验要求 】 1. 根据理论课学习的内容,了解 NTC热敏电阻的测温原理, 设计一个测量 NTC型热敏电阻温度特性的实验方案。 2. 写出实验原理、实验步骤,画出实验电路图。 3. 对实验结果进行列表统计、分析、计算,画出其温度 -电压 曲线。 4. 根据实验结果推出 NTC型热敏电阻的温度特性结论。 5. 在进行具体实验操作前先拟定实验方案,经实验指导教师 审核通过后方能进入实验室操作。 【 实验设备 】 加热器、热敏电阻、直流稳压电源、电压表等。 返回 实验九 光纤位移传感器的特性及应 用 【 实验性质 】 验证性实验 【 实验目的 】 1. 了解光纤位移传感器的原理、结构及性能。 2. 了解光纤位移传感器的测速应用。 【 实验设备 】 差动放大器、电压表、光纤传感器、电阻、 F/V表、电机、 直流稳压电源。 【 实验步骤 】 (一 )光纤位移传感器特性 1. 观察光纤位移传感器的结构,它由两束光纤混合后,组成 Y形光纤,探头截面为半圆分布。 2. 调整振动台面上反射片与光纤探头间的相对位置,电压表 置 2V挡。 下一页 返回 实验九 光纤位移传感器的特性及应 用 3. 按 图 11-10所示接线。光 /电转换器内部已接好,可将输出 电信号直接经差动放大器放大。 4. 调节测微头千分卡,使光纤探头与振动台面接触,将差动 放大器增益置中,调节差动放大器调零旋钮使电压表指示为 零。 5. 调节测微头千分卡,或用手轻压振动台使台面脱离开探头, 观察电压读数小 -大 -小的变化。将调节测微头到电压输出最 大的位置,调节差动放大器增益将最大值控制在 1V左右,必 要时反复调整零位。 6. 调节测微头,每隔 0.1mm读出电压表的读数,并将其填入 表 11-9。 7. 作出 V-X曲线,计算灵敏度及线性范围。 上一页 下一页 返回 实验九 光纤位移传感器的特性及应 用 (二 )光纤位移传感器测速应用 1. 将光纤探头移至电机 (风扇 )上方并对准电机 (风扇 )上的反光 片,调整好光纤探头与反光片间的距离 (电压表最大输出值 处 )。 2. 按 图 11-11接线,打开电源。 3. 将直流稳压电源置 10V挡,在电机控制单元接入 +10V电 压,调节转速旋钮使电机转动。 4. 将 F/V表置 2k挡,用示波器观察 F/V表。输出端的转速脉冲 信号 (Vp-p约为 5V)。 5. 根据脉冲信号的频率及电机上反光片的数目换算出此时的 电机转速。 【 注意事项 】 如果示波器上观察不到脉冲波形而特性实验正常,请调整探 头与电机间的距离,同时检查示波器的输入衰减开关位置是 否合适。 上一页 返回 图 11-1 CSY-998型传感器系统实验 仪 返回 图 11-2 实验一 返回 表 11-1 测得值 重量 W/g 电压 V/mV 返回 表 11-2 测得值 重量 W/g 电压 V/mV 返回 表 11-3 测得值 重量 W/g 电压 V/mV 返回 图 11-3 实验二图 1 返回 表 11-4 实验取得值 位移 /mm 电压 /mV 返回 图 11-4 实验二图 2 返回 图 11-5 实验二图 3 返回 图 11-6 实验二图 4 返回 表 11-5 实验数据 F/Hz 3 4 5 6 7 8 10 12 20 30 Vp-p/V 返回 图 11-7 实验四图 返回 表 11-6 实验数据 X/mm V/mV 返回 表 11-7 实验数据 X/mm V/mV 返回 图 11-8 实验五图 返回 图 11-9 实验七图 返回 表 11-8 实验数据 X/mm V/V X/mm V/V 返回 图 11-10 实验九图 1 返回 表 11-9 实验数据 X/mm 0.1 0.2 1.5 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 指示电 压 /V X/mm 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 10.0 指示 /V 返回 图 11-11 实验九图 2 返回
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