传感器实验讲义.doc

一、 CSY传感器实验仪简介实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线3.5插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒，具体安装部位参看附录三。备注：CSY系列传感器实验仪的传感器具体配置根据需方的合同安装。 显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（2V10V档位调节）、FV数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、15V不可调稳压电源。实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。教师也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。二、主要技术参数、性能及说明传感器安装台部分： 双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。传感器：1、差动变压器量程:5mm 直流电阻：510由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体. 2、电涡流位移传感器量程:1mm直流电阻：12 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。 3、霍尔式传感器量程: 2mm直流电阻：激励源端口：8001.5K 输出端口：300500 日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。 4、热电偶直流电阻：10左右由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T冷端温度为环境温度。5、电容式传感器量程：2mm由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。6、热敏电阻由半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25时为10K。7、光纤传感器由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围2mm。红外线发射、接收、直流电阻：5001.5k260股丫形、半圆分布。8、压阻式压力传感器量程：10Kpa(差压) 供电：6V 直流电阻：Vs+-Vs- ：350450 Vo+-Vo- ：3K3.5K美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的X型工作片（带温补）。9、压电加速度计PZT-5双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：10KHZ，电荷灵敏度：q20pc/g。10、应变式传感器箔式应变片阻值：350、应变系数：211、PN结温度传感器：利用半导体P-N结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：-2.1mV/。12、磁电式传感器0 .211000直流电阻：3040 由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s13、气敏传感器MQ3：酒精：测量范围：502000ppm。14、湿敏电阻高分子薄膜电阻型：RH：几兆几K 响应时间：吸湿、脱湿小于10秒。湿度系数：0.5RH%/ 测量范围：1095 工作温度：050二、信号及变换：1、电桥： 用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。2、差动放大器 通频带010kHz可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100倍的直流放大器。3、电容变换器 由高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路。4、电压放大器增益约为5倍 同相输入 通频带010KHz5、移相器 允许最大输入电压10Vp-p移相范围20(5kHz时)6、相敏检波器 可检波电压频率010kHz允许最大输入电压10Vp-p 极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路7、电荷放大器 电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。8、低通滤波器 由50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右9、涡流变换器 输出电压|8|V(探头离开被测物变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件10、光电变换座 由红外发射、接收组成。三、二套显示仪表1、 数字式电压/频率表：3位半显示，电压范围02V、020V，频率范围3Hz2KHz、10Hz20KHz，灵敏度50mV。2、 指针式毫伏表：85c1表，分500mV、50mV、5mV三档，精度2.5%。四、二种振荡器音频振荡器：0.4KHz10KHz输出连续可调，V-p-p值20V，180、0反相输出，Lv端最大功率输出电流0.5A。低频振荡器：130Hz输出连续可调，Vp-p值20V，最大输出电流0.5A，Vi端可提供用做电流放大器。五、二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。六 电加热器二组电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30左右的升温。七 测速电机一组由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。八二组稳压电稳直流15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。2V10V分五档输出，最大输出电流1.5A。提供直流激励源。 实验一 金属箔式应变片性能单臂电桥实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双平行梁测微头、一片应变片、F/V表、主、副电源。旋钮初始位置：直流稳压电源打倒2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。实验步骤：(1)了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片和一片补偿应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。(1) 将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（）、负（）、地短接。将差动放大器的输出端与FV表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使FV表显示为零，关闭主、副电源。(2) 根据图接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置4V档，FV表置20V档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使FV表显示为零，然后将FV表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使FV表显示为零。 图（3）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使FV表显示最小，再旋动测微头，使FV表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。（4）往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下FV表显示的值。建议每旋动测微头一周即X0.5mm记一个数值填入下表：位移（mm）电压（mv）（5） 据所得结果计算灵敏度SVX（式中X为梁的自由端位移变化，V为相应FV表显示的电压相应变化）。（6） 实验完毕，关闭主、副电源，所有旋钮转到初始位置。注意事项：(1) 电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。(2) 为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出，适当减小差动放大增益，此时差动放大器不必重调零。(3) 做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。(4) 电位器W1、W2，在有的型号仪器中标为RD、RA。实验二 金属箔式应变片：单臂、半桥、全桥比较实验目的：验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。所需单元和部件：直流稳压电源、差动放大器、电桥、FV表、测微头、双平行梁、应变片、主、副电源。有关旋钮的初始位置：直流稳压电源打到2V档，FV表打到2V档，差动放大器增益打到最大。实验步骤：(1) 按实验一方法将差动放大器调零后，关闭主、副电源。(2) 按图1接线，图中R4为工作片，r及W1为调平衡网络。(3) 调整测微头使双平行梁处于水平位置(目测)，将直流稳压电源打到4V档。选择适当的放大增益，然后调整电桥平衡电位器W1，使表头显示零(需预热几分钟表头才能稳定下来)。(4) 旋转测微头，使梁移动，每隔0 .5mm读一个数，将测得数值填入下表，然后关闭主、副电源：位移（mm）电压（mv）(5) 保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使FV表显示表显示为零，重复（4）过程同样测得读数，填入下表：位移（mm）电压（mv） (6) 保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片（即R1换成 ，R2换成 ，）组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使FV表显示零。重复（4）过程将读出数据填入下表：(7) 在同一坐标纸上描出X-V曲线，比较三种接法的灵敏度。注意事项：(1) 在更换应变片时应将电源关闭。(2) 在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。(3) 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。(4) 直流稳压电源4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。(3) 接全桥时请注意区别各片子的工作状态方向。实验三 霍尔式传感器的特性直流激励实验目的： 了解霍尔式传感器的原理与特性。所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、FV表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。有关旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置档，直流稳压电源置档，主、副电源关闭。实验步骤：（） 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。（） 开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图2接线，、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。图2（） 装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。（） 开启主、副电源调整使电压表指示为零。（） 上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.1mm读一个数，将读数填入下表：X(mm)V(V)X(mm)V(v)作出曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。可见，本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布有很大关系。（） 实验完毕关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。实验四 霍尔式传感器的应用电子秤之四实验目的：了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、差动放大器、直流稳压电源、电桥、砝码、FV表（电压表）、主、副电源、振动平台。有关旋钮初始位置：直流稳压电源，电压表档，主、副电源关闭。实验步骤：（） 开启主、副电源将差动放大器调零，关闭主、副电源。（） 调节测微头脱离平台并远离振动台。（） 按图2接线，开启主、副电源，将系统调零。（） 差动放大器增益调至最小位置，然后不再改变。（） 在称重平台上放上砝码，填入下表：W(g)V(v) ()在平面上放一个未知重量之物，记下表头读数。根据实验结果作出曲线，求得未知重量。注意事项：（） 此霍尔传感器的线性范围较小，所以砝码和重物不应太重。（） 砝码应置于平台的中间部分。实验五 差动变压器性能实验目的：了解差动变压器原理及工作情况。所需单元及部件：音频振荡器、测微头、示波器、主、副电源、差动变压器、振动平台。有关旋钮初始位置：音频振荡器之间，双线示波器第一通道灵敏度500mv/div ,第二通道灵敏度10mv/div，触发选择打到第一通道，主、副电源关闭。实验步骤：（） 根据图1接线，将差动变压器、音频振荡器（必须LV输出）、双线示波器连接起来，组成一个测量线路。开启主、副电源，将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端，观察差动变压器源边线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。（） 转动测微头使测微头与振动平台吸合。再向上转动测微头mm，使振动平台往上位移。（） 往下旋动测微头，使振动平台产生位移。每位移0.2mm，用示波器读出差动变压器输出端的峰峰值填入下表，根据所得数据计算灵敏度。（式中为电压变化，为相应振动平台的位移变化），作出关系曲线。图1（mm）5mm4.8mm4.6mm0.2mm0mm-0.2mm-4.8mm-5mmVo(p-p)思考：（） 根据实验结果，指出线性范围。（） 当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时，双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化？（） 用测微头调节振动平台位置，使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小，这个最小电压称作什么？由于什么原因造成？实验六 差动变压器的标定（静态位移性能）实验目的：了解差动变压器测量系统的组成和标定方法所需单元及部件：音频振荡器、差动放大器、差动变压器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、测微头、电桥、V/F表、示波器、主副电源。有关旋钮初始位置：音频振荡4kHzKHZ，差动放大器的增益打到最大，表置2V档，主、副电源关闭。实验步骤：(1) 按图1接好线路。(2) 装上测微头，上下调整使差动变压器铁芯处于线圈的中段位置。(3) 开启主、副电源，利用示波器，调整音频振荡器幅度旋钮，使激励电压幅峰峰值为2V。(4) 利用示波器和电压表，调整各调零及平衡电位器，使电压表指示为零。(5) 给梁一个较大的位移，调整移相器，使电压表指示为最大，同时可用示波器观察相敏检波器的输出波形。（6）旋转测微头，每隔.mm读数记录实验数据，填入下表，作出V-X曲线，并求出灵敏度。图1 X（mm）V（mv）注意事项：如果接着做下一个实验则各旋钮及接线不得变动。实验七 差动变压器的作用电子秤之二实验目的：了解差动变压器的实际应用。所需单元及部件：音频振荡器、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、FV表、电桥、砝码、振动平台、主、副电源。有关旋钮初始位置：音频振荡器kHz、表打到2V档。实验步骤：(1) 按图接线并调整好电路各个部分的零位。(2)开启主、副电源，利用示波器观察调节音频振荡器的幅度钮,使音频振荡器的输出为峰一峰值2V。(3) 将测量系统调零（与实验相同）。(1) 适当调整差动放大器的放大倍数，使在秤重平台上放上数量的砝码时电压表指示不溢出。(2) 去掉砝码，必要的话将系统重新调零。然后逐个加上砝码，读出表头读数 ，记下实验数据，填入下表：WqVp-p(V)(6) 去掉砝码，在平台上放一个重量未知的重物，记下电压表读数。关闭主、副电源。(7) 利用所得数据，求得系统灵敏度及重物的重量。注意事项：(1) 砝码不宜太重，以免梁端位移过大。(2) 砝码应放在平台中间部位，为使操作方便，可将测微头卸掉。实验八 磁电式传感器的性能实验目的：了解磁电式传器的原理及性能所需单元及部件：差动放大器、涡流变换器、激振器、示波器、磁电式传感器、涡流传感器、振动平台、主、副电源。有关旋钮的初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，低频振荡器的幅度旋钮置于最小，表置z档。实验步骤：（） 观察磁电式传感器的结构，根据图25的电路结构，将磁电式传感器，差动放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路，并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连，开启主、副电源。图25（） 调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表：F(HZ)25V(p-p)（3）拆去磁电传感器的引线，把涡流传感器经涡流变换器后接入低通滤波器，再用示波器观察输出波形（波形好坏与涡流传感器的安装位置有关，参照涡流传感器的实验）并与磁电传感器的输出波形相比较。思考：（）试回答磁电式传感器的特点？（） 比较磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位，为什么？实验九 压电传感器的动态响应实验实验目的：了解压电式传感器的原理、结构及应用。所需单元及设备：低频振荡器、电荷放大器、低通滤波器、单芯屏蔽线、压电传感器、双线示波器、激振线圈、磁电传感器、表、主、副电源、振动平台。有关旋钮的初始位置：低频振荡器的幅度旋钮置于最小，FV表置表档。实验步骤：（） 观察压电式传感器的结构，根据图的电路结构，将压电式传感器，电荷放大器，低通滤波器，双线示波器连接起来，组成一个测量线路。并将低频振荡器的输出端与频率表的输入端相连。图（） 将低频振荡信号接入振动台的激振线圈。（） 调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，调节时用频率表监测频率，用示波器读出峰峰值填入下表：F(HZ)571215172025V(p-p)（4）示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较观察其波形相位差。 思考：（） 根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致多少？（） 试回答压电式传感器的特点。比较磁电式传感器输出波形的相位差大致为多少？为什么？实验十热电偶原理及现象 实验目的：了解热电偶的原理及现象 所需单元及附件：15V不可调直流稳压电源、差动放大器、FV表、加热器、热电偶、水银温度计（自备）、主副电源旋钮初始位置：FV表切换开关置2V档，差动放大器增益最大。实验步骤：（1） 了解热电偶原理：二种不同的金属导体互相焊接成闭合回路时，当两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶。具体热电偶原理参考教课书。（2） 解热电偶在实验仪上的位置及符号，（参见附录）实验仪所配的热电偶是由铜康铜组成的简易热电偶，分度号为T。实验仪有二个热电偶，它封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。（3） 按图接线、开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使FV表显示零，记录下自备温度计的室温。图（4）将15V直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察FV表显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下FV表显示的读数E。（5）用自备的温度计测出上梁表面热电偶处的温度t并记录下来。（注意：温度计的测温探头不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。（6）根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)其中：t -热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。 tn-热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。 to-01 热端温度为t,冷端温度为室温时热电势。Eab(t,tn)=(f/v显示表E)/100*2(100为差动放大器的放大倍数，2为二个热电偶串联)。2 热端温度为室温，冷端温度为0，铜康铜的热电势：Eab(tn,to):查以下所附的热电偶自由端为0时的热电势和温度的关系即铜康铜热电偶分度表，得到室温（温度计测得）时热电势。3 计算：热端温度为t，冷端温度为0时的热电势，Eab(t,to),根据计算结果，查分度表得到温度t。 （）热电偶测得温度值与自备温度计测得温度值相比较。（注意：本实验仪所配的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只要了解热电势现象）。 （8）实验完毕关闭主、副电源，尤其是加热器15V电源（自备温度计测出温度后马上拆去15V电源连接线）其它旋钮置原始位置。 思考：（） 为什么差动放器接入热电偶后需再调差放零点？（） 即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也了会有很大误差，为什么？