传感器与电测技术实验指导书

《传感器与电测技术》实验指导书实验一仪器、设备的认识与操作一、实验目的通过对实验室中的基本仪器、设备的认识和操作，对实验室的仪器、设备有初步认识，并且能够使用这些仪器和设备。二、实验设备及用具VC8045台式数字万用表，GDM-8245双显数字电表，加热箱，k型、E型热电偶，活塞式压力计.三、实验的基本原理1.VC8045型数字万用表是一种41/2位台式万用表，它具有基本的DCV，ACR，DCA，ACA和OHM测量功能，电压测量最高到1000V直流或交流峰值，分辨力可达10V，电流可测量到20A，极性自动转换。GDM-8245是一种双显示的桌上型可提式数字式万用表。在同一输入待测信号下，可同时显示两种不同的资料数值，并具有50,000个counts的有两特性，适用于一般的测量。2.K型热电偶热电动势线性好，1200C下抗氧化性能良好，不适用于还原性气体。Ｅ型热电偶是在现有热电偶中，灵敏度最高的，耐热性良好，同样不适用于还原性气体。3.ＹＵ—系列活塞式压力计应用静压平衡原理：即活塞本身和加在活塞上的专用砝码重量（Ｇ）作用在活塞面积（Ｓ）上所产生的压力（Ｐ）与液压容器内所产生的压力相平衡，来测定被校验仪表的压力大小：即Ｐ＝Ｇ／Ｓ。四、实验内容及要求1.熟悉VC8045型数字万用表、GDM-8245双显数字电表的工作方式和使用方法。2.了解热电偶的原理和性质，对其有初步认识。3.了解活塞式压力计的原理和使用方法。五、实验步骤1.熟悉VC8045型数字万用表、GDM-8245双显数字电表的一般特性、直流电压的测量方法、维护和保养方法。2.对照书本了解K、E型热电偶的特性，找出二者的相同与不同。3.参照说明书学会使用活塞式压力计，了解其特性，使用方法。六、注意事项1.注意仪器的使用方法，使用环境等，避免损坏仪器仪表。2.在使用加热箱时，要注意安全，不要用手触及加热箱里面部分，以免造成损伤。七、思考题1.说明扩散型压阻式压力传感器的原理2.简述热电偶冷端补偿的必要性，常用冷端补偿有几种方法？并说明补偿原理。实验二压阻式压力传感器静态特性测试一、实验目的通过实验测量结果，计算出压阻式压力传感器的线性度、灵敏度、迟滞、重复性等静态特性，对传感器各静态特性有理性的认识。二、实验设备及用具YU—6.6B.60A，600活塞式压力计，直流电源，双显数字电表三、实验的基本原理压力传感器的基本特性分为静态特性和动态特性两种。所谓静态特性是指输入不随时间而变化的特性，即在静载荷（力值）作用下，用实验的方法求得输入的力与传感器输出电压（示值）之间的关系（线性关系），即U=a+bF。由输入和输出的关系，就可研究其静态特性。（1）灵敏度S传感器在静态工作条件下，其单位压力所产生的输出电压，称为静态灵敏度。在通常意义上，如指一台传感器灵敏度高，也指其分辨率高。用公式表示如下：dFdUFUSF0lim(2-1)这实际上就是传感器输入输出特性曲线上某点的斜率。非线性传感器各处的灵敏度是不相同的，对于线性传感器灵敏度则为：00FFUUS(2-2)图2-1所示为上述两种情况下灵敏度的图解表示，其中左图为非线性灵敏度，右图为线性灵敏度图解。非线性灵敏度线性灵敏度图2-1灵敏度特性曲线(2)线性度(非线性误差)Ｌ大多数传感器的输入和输出具有比例关系，这种输入输出具有线性比例关系的传感器称线性传感器。衡量线性传感器线性特性好坏的指标为非线性误差，或称线性度。随着参考直线的性质和引法不同，线性度有多种，下面仅介绍端点线性度。如图2-2所示，将传感器的实际零点和满量程端点连线作为理论直线，传感器实际平均输出（正反行程平均）特性曲线对理论直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示为：%1000max.UUULL(2-3)（3）迟滞（迟滞误差）H传感器在正（输入量增加）、反（输入量减少）行程中，输入输出曲线不重合的程度称为迟滞。也就是说，对应于同一输入量，它的输出量值有差别。迟滞可用传感器最大正反差值与满量程输出的百分比来表示%1000max.UUUHH(2-4)图2-3所示为传感器的某种迟滞特性。（4）重复性R多次重复测量时，在同是正行程（或同是反行程）中对应同一输入量，传感器的输出值也不相同，这种差值称为重复差值。全量程中的最大重复差值与满量程输出值之比称为重复性。如图2-4所示，表达式如下%1000max.UUURR(2-5)图2-2端点线性度特性曲线图2-3迟滞特性曲线图2-4重复性特性四、实验内容及要求根据实验原理，按照实验步骤，测试活塞式压力计在不同的加载力时，用数字电表测量其输出电压的大小，并根据实验数据，画出各个静态特性曲线，要求根据静态特性曲线研究传感器的各个静态特性。五、实验步骤1.打开所用仪器的电源，活塞式压力计用24V直流供电。2.操作前首先利用水平调节螺丝来校准压力计水平，即需要使水平泡的气泡位于中心位置，是各处受压均匀。3.打开油杯阀门，左旋手轮，使手摇压力泵的油缸充满油液。4.关闭油杯阀门，打开针形阀，右旋手轮，产生初压，使承重底盘升起，知道与定位指示筒的墨线刻度相齐为止。5.增加砝码重量，使之产生所需的压力，增加砝码后，须相应的转动压力泵手轮，以免承重底盘下降。操作是，必须使砝码及底盘顺时针方向旋转，角速度保持在30~120转/分之间，借以克服摩擦阻力的影响。在表2-1中记录对应加载输出电压的值。6.加载结束后，左旋手轮，逐步撤压，并在表2-1中记录对应卸载时输出电压的值。7.重复上述5.6两步骤，进行三次测量，将输出电压记录在表格2-1中。表2-1输出电压随加载力变化数据表（工作电压不变）加载力（MPa）加载输出U（mv）卸载输出U（mv）加载输出U（mv）卸载输出U（mv）加载输出U（mv）卸载输出U（mv）六、实验数据的处理与实验报告要求1.根据第一组实验数据，画出U—F曲线，求出传感器灵敏度。2.根据第二组实验数据，画出U—F曲线，求出传感器线性度(非线性误差)Ｌ3.根据第三组实验数据，画出U—F曲线，求出迟滞（迟滞误差）H4.根据三组实验数据，画出U—F曲线，分析该传感器的重复性。七、注意事项1.测量加载力F与输出电压U的关系：保持工作电压Us不变。2.活塞缸、承重底盘和砝码等，必须根据压力计的同一出厂编号配套使用，不能互换。3.实验完毕后，必须按照实验步骤6将砝码全部卸掉，打开油杯，将手轮左旋到底。八、思考题1.比较压阻式传感器与金属电阻应变片式传感器在应用上有什么不同?执笔人：陈阳编写日期：2007-9-8实验三热电偶温度特性的测试一、实验目的通过实验了解热电偶传感器的测温原理，工作特性，并且会查热电偶的分度表。二、实验设备及用具K、E型热电偶，加热箱，台式数字万用表，温度计三、实验的基本原理1.热电偶的基本工作原理：热电偶是由两种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当两个接触端温度不同，即TT0时，回路中会产生热电势EAB(T,T0)，如图3-1所示。同时在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。ATEAB(T,T0)T0B图3-1热电偶当两种金属材料A和B相互接触时，自由电子就从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去，从而产生自由电子的扩散现象。失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。这样A、B接触处形成一定的电位差，这就是接触电势（也叫帕尔贴电势），其大小可表示为BAABNNekTTEln)(式中，EAB(T)为电极A和电极B在温度为T时的接触电势；k为波尔兹曼常数；T为接触面的绝对温度；e为单位电荷量；NA，NB分别为金属电极A和B的自由电子密度。对于同一金属材料A中，如果两端温度不同，则温度高端的自由电子向温度低端扩散，并在低温度端积聚，在金属材料A的两端形成一定的电位差，即温差电势（也叫汤姆逊电势）。其大小可表示为TdTTETTAA0),(0式中，EA(T,T0)为金属材料A的温差电势；A为温差系数；T,T0位高低温端的绝对温度。对于如3-1所示A、B两种导体构成的闭合回路，总的温差电势为dTTTETTEBTTABA)(),(),(000由此可得结论：（1）如果热电偶两电极材料相同，即NA=NB，A=B，虽然两端温度不同，但闭合回路的总电势仍为零。因此，极电偶要用不同材料作热电极（2）如果热电偶两极材料不同，但两端温度相同，即T=T0则闭合回路中也不产生电势。2.中间导体定律和热电势的修正热电偶在节点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在接点温度为T、T0和Tn、T0时相对热电势的代数和。四、实验内容及要求根据热电偶基本工作原理及特性，以及热电偶中间温度定律，按照实验步骤测出热电偶热端温度，学会查分度表。五、实验步骤1.首先将台式数字万用表双端输入接入热电偶（K型或E型），然后打开电源。2.使电压表读数为零。用温度计读出此时热电偶参考端所处的室温Tn。3.随着加热箱温度上升，观察输出电压的变化，待加热温度不再上升（达到相对热平衡），记录电压表读数。4.根据中间温度定律公式，计算出实际热电势E(T,T0)。查询热电偶分度表，得出热端温度值。六、实验数据的处理与实验报告要求表3-1K型热电偶实验数据T(C0)升温V(mv)降温V(mv)表3-2E型热电偶实验数据T(C0)升温V(mv)降温V(mv)七、注意事项1.注意热电偶的正负极性。2.加热过程中，不要用手触及加热箱里面，以免造成伤害。八、思考题1.简述热电偶能够工作的两个条件？简述热电偶测温原理？2.热电偶测温与热电阻测温有什么不同？3.分析误差主要来源？