传感器及检测技术实验指导书(2014)

I传感器及检测技术实验指导书电气工程学院2014年9月II前言传感器原理及检测技术课程，在高等理工科院校电气与自动化专业、电子信息工程和测控技术与仪器类各专业的教学计划中，是一门重要的专业基础课。实验是教学的重要环节之一，通过实验巩固和消化课堂所讲授理论内容，掌握常用传感器的工作原理和使用方法，提高学生的动手能力和学习兴趣。本实验指导书提供了多个实验，可根据各学院相关专业教学实际，进行选做。该指导书在以往使用的《检测技术实验指导书》基础上，由电气学院赵兰老师、姚志树老师进行了一定的修改和补充。2007年6月进行了再次修改，由黄稳山教授审阅。-1-目录实验一箔式应变片桥路性能比较............-2-实验二电容式传感器的特性................-4-实验三电涡流式传感器的静态标定..........-6-实验四电涡流传感器电机转速测量实验......-8-实验五霍尔式传感器特性实验..............-9-实验六霍耳传感器的应用—电子秤.........-10--2-实验一箔式应变片桥路性能比较一、实验目的：1．观察了解箔式应变片结构及粘贴方式。2．测试应变梁变形的应变输出。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。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。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。实际使用的应变电桥的性能和原理如下：311234()oRRUERRRR已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为、、。电桥灵敏度S＝∆V/∆X，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。三、实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪：直流稳压电源、差动放大器、电桥、毫伏表、测微头。直流稳压电源打到0V档，毫伏表打到±50mv档，差动放大器增益旋钮打到最右边。-3-四、实验步骤：1．调零。差动放大器增益旋钮置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。开启仪器电源，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。调零后在整个测试过程中，调零电位器位置不变。2．按图1-1将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R1、R2、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、下梁中的一片作为工作片）。直流激励电源为±4V。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。+-R1RR2R3WDr+4V-4VV图1-1单臂桥路+-R1RR2R3WDr+4V-4VV图1-2全桥桥路3．确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。4．旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下输出电压为零，开始向上或向下移动做正、反行程测试。测微头每-4-移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，直至进入非线性区，做相反行程测试，测试数据列表。单臂电桥正行程（反行程数据列表类似）位移mm电压V根据表中所测数据计算灵敏度S，S＝∆V/∆X单位：v/mm。5．在完成上面测试的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，图2-1中电桥固定电阻R1、R2、R3分别换成箔式应变片，按图1-2全桥桥路接成全桥测试系统。6．重复上面的3－4步骤，测出单臂和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。S＝∆V/∆X单位：v/mm。全桥正行程（反行程数据列表类似）位移mm电压V7．在同一坐标上做出V－X关系曲线，比较桥路的灵敏度，并做出定性的结论。实验二电容式传感器的特性一、实验目的：了解电容式传感器的结构和工作原理。掌握电容式传感器的测量方法。二、实验原理：电容式传感器有多种型式，本仪器中是差动变面积式。传感器由两组定片和一组动片组成。当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如将上层定片与动片形成的电容定为Cx1，下层定片与动片形成的电容定为Cx2，当将Cx1和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。-5-三、实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪：电容传感器、电容变化器、差动放大器、低通滤波器、低频滤波器、测微头。四、实验步骤：（1）按图2-1接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。Cx1Cx2电容变换器低通差放电压表+图2-1电容传感器测试接线图（2）装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。（3）以此为起点，向上或向下旋动测微头开始正反行程测试，测微头每移动0.5mm记录一个输出电压值，直至动片与一组静片全部重合为止。将读数记录入下表：并作出V—X曲线，计算灵敏度，S＝∆V/∆X单位：v/mm。X（mm）VP-P（v）（4）低频振荡器输出接“激振Ⅰ”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，使差放输出波形较大但不失真，用示波器观察波形。-6-五、注意事项：（1）电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍微做调整。位移和振动时均不可有擦片现象，否则会造成输出信号突变。（2）如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进一步减小。实验三电涡流式传感器的静态标定一、实验目的：了解电涡流传感器的结构、原理、工作特性。掌握电涡流传感器的静态标定方法。二、实验原理：电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成如图5-1所示，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。图3-1涡流式位移传感器的基本结构及工作原理三、实验所需部件：CSY10型传感器系统实验仪：电涡流线圈、金属涡流片、电涡流变换器、测微头、示波器、电压表。四、实验步骤：1．安装好电涡流线圈和金属涡流片，注意两者必须保持平行。安装好-7-测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接电压表20V档。见下图3-2。2．开启仪器电源，用测微头将电涡流线圈与涡流片分开一定距离，此时输出端电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHz。3．用测微头带动振动平台使平面线圈完全贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出电压为零。涡流变换器中的振荡电路停振。V电压表涡流变换器涡流传感器图3-2涡流式位移传感器测试接线图4．旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，测微头每移动0.25mm记录一个输出电压值，将读数记录入下表：并作出V—X曲线，计算灵敏度，S＝∆V/∆X单位：v/mm。并用示波器观察变换器的高频振荡器波形。5．换用不同材质的金属涡流片，重复实验步骤1--4。五、实验报告：作出不同材质的V－X曲线，铝片，铜片，铁片，求出灵敏度，并进行比较。X（mm）VP-P（v）X（mm）VP-P（v）X（mm）VP-P（v）-8-六、注意事项：当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小。或是使传感器在初始状态有一死区。实验四电涡流传感器电机转速测量实验一、实验目的：掌握电涡流式传感器的实际应用。二、实验仪器及设备：CSY10型传感器系统实验仪：（1）电涡流线圈（2）电涡流变换器（3）测速电机及转盘（4）电压/频率表示波器三、实验原理：当平面线圈与金属被测体的相对位置发生周期性变化时，涡流量及线圈的阻抗的变化经涡流变换器转换为周期性的电压信号变化。应用在本实验中表现为：电机每转一圈，转盘上的金属片在平面线圈正下方出现两次，即：电机转速为周期性的电压信号频率的一半。四、实验内容：1.将电涡流线圈安装在电机转盘上方，线圈与转盘平面平行，在不碰檫的情况下相距越近越好。图4-1电涡流式传感器测试接线图2.按图4-1接线，先打开实验系统和示波器电源，然后打开电机开关，调节电机转速和平面线圈的水平位置，用示波器观察，使变换器输出的波形较为对称。3.仔细观察示波器中两相邻波形的峰值是否一样，如有差异，则说明线圈与转盘面不平行或是电机有振动现象。利用实验六中铁涡流片的特性曲线判断转盘面与线圈的不平行度。-9-4.将电压/频率表2kHz档接入涡流变换器输出端，读取脉动波形频率值，并与示波器读取的频率做比较。共取五组不同转速数据，分别求取电机转速值：n=f/2。五、实验报告要求：1.根据电压/频率表和示波器的读数求取5组电机转速。F（Hz）示波器F（Hz）电压表n（r/s）电机转速2.画出从示波器上观察到的一组信号波形（标出信号周期），求取信号频率，计算电机转速。3.比较以上两种方法求取的电机转速，分析差别原因。实验五霍尔式传感器特性实验一、实验目的：1.了解霍尔式传感器的工作原理。2.掌握用综合传感器实验仪进行霍尔式传感器特性实验的方法。二、实验仪器及设备：CSY10型传感器系统实验仪：霍尔片磁路系统电桥差动放大器V/F表直流稳压电源测微头低频振荡器示波器一台三、实验原理：霍尔传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通以恒定电流时，霍尔元件就有电势输出。霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势V取决于其在磁场中的位移-10-量X，因此，测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静态位移量X。四、实验步骤：1.按图7-1接线：w1，r1为电桥单元中的直流平衡网络。图5-1霍尔传感器测试接线图2.装好测微头；3.开启电源，差动放大器调零，然后重新接好线路。4.调整w1使电压表指示为零；5.向上或向下旋动测微头开始行程测试，测微头每移动0.5mm记录一个输出电压值，将读数记录入下表：并作出V—X曲线，计算灵敏度，S＝∆V/∆X单位：v/mm。6.按下激振器按钮，适当打大振幅，用示波器观察差动放大器的输出波形。分析并解释振幅较大时示波器上的波形？次传感器能适用的最大位移是多少？五、实验报告要求：1.数据处理，作出V—X曲线，求取灵敏度系数S。S＝∆V/∆X单位：v/mm。位移mm电压V2.作出振幅取较大值时，示波器上的波形，求取此传感器能适用的最大位移？实验六霍耳传感器的应用—电子秤一、实验目的：掌握霍耳传感器的实际应用。-11-二、实验仪器及设备：CSY10型传感器系统实验仪：（1）霍耳式传感器（2）直流稳压电源（3）差动放大器（4）震动圆盘（5）环形砝码（6）电桥（7）电压表一套三、实验原理：称重平台位于传感器实验台内部的悬臂梁顶端的磁钢上。当称重平台上有被称重物时，由于重力作用，悬臂梁发生弹性形变。同时，位于称重平台下部的霍耳传感器被带动而向下移动。由于悬臂梁形变产生的位移大小与重力成正比，因此可以通过测量称重平台的位移变化量X来间接测量被测物的重量，从而实现电子测量物体重量的目的。图6-1霍耳传感器测试接线图四、实验内容：1.移开测微头，加上震动圆盘。按图6-1连接好系统。2.差动放大器增益旋扭调至最大，对差动放大器调零。3.调节电桥WD使输出为零。4.以振动平台为称重平台，逐步放上砝码，依次记下电压表读数，填入表1。5.移走称重砝码，在称重平台上分别放置三个不同重量的物品W1、W2、W3（重量未知），分别读出对应的电压表读数，将读数填入表2。6.从三个物品中取出以下组合：W1+W2，W1+W3，W2+W3，W1+W2+W3。分别放在称重平台上进行称量并记录电压表读数，将读数填如表2五、注意事项：霍耳式传感器在做称重时只能工作在梯度磁场中，所以砝码和被称重物都不能太重。实验时，环形砝码应置于平台的中间部位，避免平台倾斜。-12-六、实验报告要求：1.实验数据整理。2.根据实验数据作出V—W曲线。3.根据V—W曲