《傳感器與檢測技術》實驗指導書修訂詳解

1、自動化專業(yè)傳感器與檢測技術課程實驗指導書撰寫人：閆奇瑾審定人：輔小榮目錄第一部分 緒論 1第二部分 基本實驗指導 . 2實驗一箔式應變片橋路性能比較 . 2實驗二電渦流式傳感器的靜態(tài)標定 6實驗三差動變面積式電容式傳感器的靜態(tài)特性 9實驗四霍爾式傳感器靜態(tài)特性實驗 11第一部分緒論本指導書是根據(jù)傳感器與檢測技術課程實驗教學大綱編寫的,適用于自動化專業(yè)。一、本課程實驗的作用與任務傳感器與檢測技術實驗是傳感器與檢測技術課程教學的重要環(huán)節(jié)，是自動化專業(yè)的專業(yè)基礎實驗課。通過實驗，使學生加深理解傳感技術的一般理論原 理，了解各種傳感器性能，掌握選用原則和設計方法，學會對各種參數(shù)的測量及 分析技術。二、

2、本課程實驗的基礎知識本課程主要介紹傳感器與檢測技術基礎理論， 傳感器的基本原理和結構，非 電量的檢測技術及系統(tǒng)，抗干擾技術和微機在檢測中的應用等。 實驗要求的基礎 知識主要有傳感器的靜態(tài)和動態(tài)特性，電阻式傳感器，電感式傳感器、 電容式傳 感器、磁電式傳感器的基本工作原理、結構、測量電路以及應用方法等。三、本課程實驗教學項目及其教學要求序號實驗項目名稱學時教學目標、要求1箔式應變片橋路性能比較2教學目標：觀察電阻應變片組成結構，了解箔式應變片工作原 理，熟悉半橋、全橋電路。教學要求：觀察應變片輸出電路分別接成半橋、全橋時的輸出 變化，作岀特性曲線，分析靈敏度等靜態(tài)特性。2電渦流式傳感器的靜態(tài)標定

3、2教學目標：了解電渦流傳感器工作原理，觀察組成結構，熟悉 有關測量電路。教學要求：實驗求岀線圈與渦流片間位移變化時輸岀信號特性 曲線，分析計算其靜態(tài)特性。3差動變面積式電容式傳感器的特性2教學目標：掌握電容式傳感器的工作原理和測量方法；觀察電容式傳感器的結構和外形。教學要求：用實驗的方法測出電容動片的上下位移與輸出信號 間的特性曲線，分析其靈敏度。4霍爾式傳感器靜態(tài)特性實驗2教學目標：了解霍爾傳感器的工作原理，觀察組成結構，熟悉相關測量電路。教學要求：實驗求出霍爾片在梯度磁場中位移變化對輸出信號 間的特性曲線，分析計算其靜態(tài)特性。合計8第二部分基本實驗指導實驗一箔式應變片橋路性能比較一、實驗目

4、的1 觀察了解箔式應變片結構及粘貼方式。2測試應變梁變形的應變輸出。3.比較各橋路間的輸出關系。二、實驗原理應變片是最常用的測力傳感元件。用應變片測試時，應變片要牢固地粘貼在 測試體表面。當測件受力發(fā)生形變，應變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之 發(fā)生相應的變化。通過測量電路，轉換成電信號輸出顯示。電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，單臂，半橋雙臂，全橋電路 的靈敏度依次增大。實際使用的應變電橋的性能和原理如下：圖1-1應變電橋半橋雙臂和全橋電路原理三R ZR 4R已知單臂、半橋雙臂和全橋電路的R分別為卜、=、卜。電橋靈敏度S=?V ?X ,于是對應于單臂、半橋雙臂和全橋的電壓靈敏度分別

5、為1/4 U、1/2U和U。三、主要儀器及耗材CSY10型傳感器系統(tǒng)實驗儀：直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、毫伏表、測微頭、實驗接插線直流穩(wěn)壓電源打到OV檔，毫伏表打到± 50mv檔，差動放大器增益旋鈕打 到最右邊。四、實驗內(nèi)容與步驟1 調(diào)零。差動放大器增益旋鈕置100倍（順時針方向旋到底），“十、”輸 入端用實驗線對地短路，輸出端接數(shù)字電壓表。開啟儀器電源，用“調(diào)零”電位 器調(diào)整差動放大器輸出電壓為零，然后拔掉實驗線。調(diào)零后在整個測試過程中，調(diào)零電位器位置不變。2 按圖1-2將實驗部件用實驗線連接成測試橋路。橋路中 R1、R2、R3和WD為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，R為應

6、變片（可任選上、下梁中的一片作為工作片）。直流激勵電源為± 4V。圖1-2半橋雙臂橋路圖1-3全橋橋路3 測微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)使應變梁處于基本水平狀 態(tài)。確認接線無誤后開啟儀器電源，并預熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋WD電位器，使測試系統(tǒng)輸出為零。4旋動測微頭，帶動懸臂梁分別作向上和向下的運動，以懸臂梁水平狀態(tài) 下輸出電壓為零，開始向上或向下移動做正、反行程測試。測微頭每移動05mm 記錄一個差動放大器輸出電壓值，直至進入非線性區(qū)，做相反行程測試，將數(shù)據(jù)填入下列測試數(shù)據(jù)列表中。根據(jù)表中所測數(shù)據(jù)計算靈敏度 S, S= ?V / ?X單位：v/mm。5. 在完成上面測試的基礎上，

7、不變動差動放大器增益和調(diào)零電位器， 圖1-2 中電橋固定電阻R1、R2、R3分別換成箔式應變片，按圖1-3全橋橋路接成全橋 測試系統(tǒng)。6 重復上面的3- 4步驟，測出半橋雙臂和全橋輸出電壓并列表，計算靈敏 度。S= ?V / ?X 單位：v/mm。7.實驗完畢，關閉主副電源，所有旋鈕轉到初始位置，將測微頭從懸臂梁 上拿開。五、數(shù)據(jù)處理與分析1. 根據(jù)測出的半橋雙臂和全橋輸出電壓列表，在坐標紙上同一坐標系下做 出V X關系曲線。表1-1半橋雙臂正行程位移mm電壓V表1-2半橋雙臂反行程位移mm電壓V表1-3全橋正行程位移mm電壓V表1-4全橋反行程位移mm電壓V2 根據(jù)所得結果，分別計算兩種橋路

8、的靈敏度S= V/X （注意單位V/mm ）。計算方法可采用課程中學過的數(shù)據(jù)擬合方法。并計算相應的線性度、 遲滯等其它靜態(tài)特性指標。3.比較兩種橋路的靈敏度，并做出定性的結論。六、實驗注意事項1. 實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應盡量使用較短的接插 線，以避免引入干擾。2 接插線插入插孔時輕輕地做一個小角度的轉動，以保證接觸良好，拔出 時也輕輕地轉動一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導線斷裂。3.穩(wěn)壓電源不要對地短路。4在半橋、全橋電路中應變片接入電橋時注意其受力方向，一定要接成差 動形式。5. 直流激勵電壓不能過大，以免造成應變片自熱損壞。6. 在更換應變片時應將電源

9、關閉。7. 在實驗過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應將電壓量程擴大。8. 電橋上端虛線所示的四個電阻實際上并不存在，僅作為一標記，使組橋 容易。七、思考題1. 本實驗電路對直流穩(wěn)壓電源和對放大器有何要求？2. 分析實驗中遇到的困難和問題以及解決方法，對本實驗進行小結。實驗二電渦流式傳感器的靜態(tài)標定一、實驗目的了解電渦流傳感器的結構、原理、工作特性。 掌握電渦流傳感器的靜態(tài)標定方法。實驗原理電渦流式傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成如圖 2-1所示，當線圈中通以 高頻交變電流后，與其平行的金屬片上產(chǎn)生電渦流，電渦流的大小影響線圈的阻 抗Z,而渦流的大小與金屬渦流片的電阻率、導磁率、厚度、溫度以及與線

10、圈的 距離X有關。當平面線圈、被測體（渦流片）、激勵源已確定，并保持環(huán)境溫度 不變，阻抗Z只與X距離有關。將阻抗變化經(jīng)渦流變換器變換成電壓V輸出，則輸出電壓是距離X的單值函數(shù)。圖2-1渦流式位移傳感器的基本結構及工作原理三、主要儀器及耗材CSYio型傳感器系統(tǒng)實驗儀：電渦流線圈、三種材質的金屬渦流片、電渦流 變換器、測微頭、電壓表。四、實驗內(nèi)容與步驟1 安裝好電渦流線圈和金屬渦流片，注意兩者必須保持平行。安裝好測微 頭，將電渦流線圈接入渦流變換器輸入端。渦流變換器輸出端接電壓表20V檔見下圖2-2所示。2. 開啟儀器電源，用測微頭將電渦流線圈與渦流片分開一定距離，此時輸 出端電壓值輸出。用示波

11、器接渦流變換器輸入端觀察電渦流傳感器的高頻波形， 信號頻率約為IMHz。3. 用測微頭帶動振動平臺使平面線圈完全貼緊金屬渦流片，此時渦流變換器輸出電壓為零。渦流變換器中的振蕩電路停振。（該狀態(tài)只適用于鐵片，鋁片和銅片在貼貼緊狀態(tài)下輸出并不為 0，思考一下為什么？）。3圖2-2渦流式位移傳感器測試接線圖4. 適當調(diào)節(jié)傳感器的高度，使其與被測鐵片接觸，從此開始讀數(shù)，記下示 波器及電壓表的數(shù)值，填入下表。建議每隔0.10mm讀數(shù)，到線性嚴重變壞為止。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)。在坐標紙上 畫出V X曲線，指出大致的線性范圍，求出系統(tǒng)靈敏度。（最好能用誤差理論的方法求出線性范圍內(nèi)的線性度、靈敏度）?？梢姡瑴u流傳感器

12、最大的特點是,傳感器與被測體間有一個最佳初始工作點。這里采用的變換電路是一種。實驗完畢關閉主、副電源。5.換用不同材質的金屬渦流片，重復實驗步驟 1-4。根據(jù)所得結果，在同 一坐標紙上畫出被測體為鋁和鐵的兩條 V-X曲線，并計算靈敏度與線性度，比 較它們的線性范圍和靈敏度。關閉主、副電源?？梢?，這種電渦流式傳感器在被 測體不同時必須重新進行 標定。V2. 根據(jù)所得結果，分別計算三種金屬渦流片的靈敏度 S=V/X （注意 單位V/mm ）。計算方法可采用課程中學過的數(shù)據(jù)擬合方法，并計算相應的線性度、遲滯等其它靜態(tài)特性指標。3. 比較求出的靈敏度，并做出定性的結論。六、實驗注意事項1. 實驗前應檢

13、查實驗接插線是否完好，連接電路時應盡量使用較短的接插 線，以避免引入干擾。2 接插線插入插孔時輕輕地做一個小角度的轉動，以保證接觸良好，拔出 時也輕輕地轉動一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導線斷裂。3. 穩(wěn)壓電源不要對地短路。4. 被測體與渦流傳感器測試探頭平面盡量平行，并將探頭盡量對準被測體 中間，即屬于一個同心圓的位置，以減少渦流損失。5.傳感器在初始時可能為出現(xiàn)一段死區(qū)。6此渦流變換線路屬于變頻調(diào)幅式線路，傳感器是振蕩器中一個元件，因 此材料與傳感器輸出特性之間的關系與定頻調(diào)幅式線路不同。七、思考題1. 請回答實驗步驟中提出的問題。2. 分析實驗中遇到的困難和問題以及解決方

14、法，對本實驗進行小結。實驗三差動變面積式電容式傳感器的靜態(tài)特性一、實驗目的了解電容式傳感器的結構和工作原理。掌握電容式傳感器的測量方法。二、實驗原理電容式傳感器有多種型式，本儀器中是差動變面積式。傳感器由兩組定片和 一組動片組成。當安裝于振動臺上的動片上、下改變位置，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應變化，成為差動電容。如將上層定片與動片形成的電容定為Cxl ,下層定片與動片形成的電容定為 Cx2,當將Cxl和Cx2 接入橋路作為相鄰兩臂時，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關， 即與振動臺的 位移有關。三、主要儀器及耗材CSYo型傳感器系統(tǒng)實驗儀：電容傳感器、電容變化器、差動放

15、大器、低通 濾波器、低頻濾波器、測微頭、電壓表。四、實驗內(nèi)容與步驟1. 電容變換器和差動放大器的增益適中，按照實驗一的方式對差動放大器進行 調(diào)零；2. 按圖3-1接線；Cxl圖3-1電容傳感器測試接線圖3. 裝上測微頭，帶動振動臺位移，使電容動片位于兩靜片中，此時差動放大器 輸出應為零。4. 以此為起點，向上或向下旋動測微頭開始正反行程測試，測微頭每移動0.5mm 記錄一個輸出電壓值，直至動片與一組靜片全部重合為止。將讀數(shù)記錄入下表：并作出V X曲線，計算靈敏度，S= ?V / ?X 單位：v/mm。五、數(shù)據(jù)處理與分析1. 根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)在坐標紙上同一坐標系下做出正反行程的V X關系曲線。

16、表3-1正行程位移mm電壓V表3-2反行程位移mm電壓V2 根據(jù)所得結果，計算電容傳感器的靈敏度S= V/X （注意單位V/mm ）。計算方法可采用課程中學過的數(shù)據(jù)擬合方法，并計算相應的線性度、 遲滯等其它靜態(tài)特性指標。3.做出定性的結論。六、實驗注意事項1. 實驗前應檢查實驗接插線是否完好，連接電路時應盡量使用較短的接插 線，以避免引入干擾。2 接插線插入插孔時輕輕地做一個小角度的轉動，以保證接觸良好，拔出 時也輕輕地轉動一下拔出，切忌用力拉扯接插線尾部，以免造成線內(nèi)導線斷裂。3.穩(wěn)壓電源不要對地短路。4電容動片與兩定片之間的片間距離須相等，必要時可稍微做調(diào)整。位移 和振動時均不可有擦片現(xiàn)象

17、，否則會造成輸出信號突變。5. 如果差動放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波，請將電容變換器 增益進一步減小。因此，增益應放在適中位置。七、思考題分析實驗中遇到的困難和問題以及解決方法，對本實驗進行小結。實驗四霍爾式傳感器靜態(tài)特性實驗一、實驗目的1. 了解霍爾式傳感器的工作原理。2. 掌握用綜合傳感器實驗儀進行霍爾式傳感器特性實驗的方法。二、實驗原理霍爾傳感器是由兩個環(huán)形磁鋼組成梯度磁場和位于梯度磁場中的霍爾元件 組成。當霍爾元件通以恒定電流時， 霍爾元件就有電勢輸出?；魻栐谔荻却?場中上、下移動時，輸出的霍爾電勢 V取決于其在磁場中的位移量 X ,因此， 測得霍爾電勢的大小便可獲知霍爾

18、元件的靜態(tài)位移量X。圖7-1霍爾位移傳感器測量原理三、主要儀器及耗材CSYio型傳感器系統(tǒng)實驗儀：霍爾片、磁路系統(tǒng)、電橋、差動放大器、V/F表、 直流穩(wěn)壓電源、測微頭、低頻振蕩器。四、實驗內(nèi)容與步驟1. 了解霍爾式傳感器的結構及實驗儀上的安裝位置，熟悉實驗面板上霍爾 片的符號?；魻柶惭b在實驗儀的振動圓盤上，兩個半圓永久磁鋼固定在實驗儀 的頂板上，二者組合成霍爾傳感器。2. 開啟主、畐U電源，將差動放大器調(diào)零后，增益置適中，關閉主電源。3. 根據(jù)圖7-2接線，Wd、r為電橋單元的直流電橋平衡網(wǎng)絡。4裝好測微頭；調(diào)節(jié)測微頭與振動臺吸合并使霍爾片置于半圓磁鋼上下正 中位置。5. 開啟主、副電源，調(diào)整 WD使電壓表指示為零。6. 向上或向下旋動測微頭開始行程測試， 建議測微頭每移動0.25mm記錄一 個輸出電壓值，將讀數(shù)記錄入下表。五、數(shù)據(jù)處理與分析1.根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)在坐標紙上同一坐標系下做出正反行程的V X關系曲線。表3-1正行程位移