传感器技术实验指导书样本.doc

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《传感器与检测技术》实验指导书

丁松 权义萍

南京工业大学自动化学院
-04-15

目 录

实验一 金属箔式应变片单臂、 半桥、 全桥性能比较实验…3
实验二 直流全桥的应用――电子秤实验…………………7
实验三 电容式传感器的位移特性实验……………………9
实验四 压电式传感器振动实验…………………………11
实验五 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验………13
实验六 电涡流传感器综合实验…………………………15
实验七 光纤传感器的位移特性实验……………………18
实验一 金属箔式应变片单臂、 半桥性能比较实验
一、 实验目的:
了解金属箔式应变片的应变效应, 电桥工作原理和性能。
二、 基本原理:
电阻丝在外力作用下发生机械变形时, 其电阻值发生变化, 这就是电阻应变效应, 描述电阻应变效应的关系式为: ΔR／R＝Kε式中ΔR／R为电阻丝电阻相对变化, K为应变灵敏系数,ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化, 金属箔式应变片就是经过光刻、 腐蚀等工艺制成的应变敏感元件, 经过它转换被测部位受力状态变化 、 电桥的作用完成电阻到电压的比例变化, 电桥的输出电压反映了相应的受力状态。, 对单臂电桥输出电压 Uo1= EKε/4。
不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边, 电桥输出灵敏度提高, 非线性得到改
善。当应变片阻值和应变量相同时, 其桥路输出电压UO2＝EKε／2。
三、 需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、 应变式传感器－电子秤、 砝码、 数显表、 ±15V电源、 ±4V电源、 万用表( 自备) 。
四、 实验步骤:
1、 根据图( 1－1) 应变式传感器( 电子秤) 已装于应变传感器模板上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的R1、 R2、 R3、 R4。可用万用表进行测量判别, R1＝R2＝R3＝R4＝350Ω, 加热丝阻值为50Ω左右

图1－1 应变式传感器安装示意图
2、 接入模板电源±15V( 从主控台引入) , 检查无误后, 合上主控台电源开关, 将实验模板调节增益电位器RW3顺时针调节大致到中间位置, 再进行差动放大器调零, 方法为将差放的正负输入端与地短接, 输出端与主控台面板上数显表输入端Vi相连, 调节实验模板上调零电位器RW4, 使数显表显示为零( 数显表的切换开关打到2V档) 。关闭主控箱电源( 注意: 当Rw3、 Rw4的位置一旦确定, 就不能改变。一直到做完实验三为止) 。
3、 将应变式传感器的其中一个电阻应变片R1( 即模板左上方的R1) 接入电桥作为一个桥臂与R5、 R6、 R7接成直流电桥( R5、 R6、 R7模块内已接好) , 接好电桥调零电位器RW1, 接上桥路电源±4V( 从主控台引入) 如图1－2所示。检查接线无误后, 合上主控台电源开关。调节RW1, 使数显表显示为零。
图1－2应变式传感器单臂电桥实验接线图
4、 在电子称上放置一只砝码, 读取数显表数值, 依次增加砝码和读取相应的数显表值, 直到200g( 或500 g) 砝码加完。记下实验结果填入表1－1, 关闭电源。
重量(g)

电压(mv)

5、 根据表1－1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW( ΔU输出电压变化量, ΔW重量变化量) 和非线性误差δf1=Δm/yF..S ×100％式中Δm为输出值( 多次测量时为平均值) 与拟合直线的最大偏差: yF·S满量程输出平均值, 此处为200g( 或500g) 。
6、 更改电桥接法, 重复以上步骤。

`

图1－3应变式传感器半桥实验接线图
表1－2半桥测量时, 输出电压与加负载重量值
重量

电压

根据表1－2计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW和非线性误差δf2=Δm/yF..S ×100％

五、 思考题:
1、 单臂电桥时, 作为桥臂电阻应变片应选用: ( 1) 正( 受拉) 应变片( 2) 负( 受压) 应变片( 3) 正、 负应变片均能够。
2、 半桥实验时, 如果对于一定的输入, 输出值很小或没有输出, 为何?
3、 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时, 应放在: ( 1) 对边( 2) 邻边。
实验二 直流全桥的应用――电子秤实验
一、 实验目的:
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、 基本原理:
电子秤实验原理为实验一, 全桥测量原理, 经过对电路调节使电路输出的电压值为重量对应值, 电压量纲( V) 改为重量纲( g) 即成为一台原始电子秤。
三、 需用器件与单元:
应变式传感器实验模板、 应变式传感器、 砝码
四、 实验步骤:
1、 按实验一中2的步骤, 将差动放大器调零, 应变式传感器实验模板按全桥接线, 合上主控台电源开关, 调节电桥平衡电位RW1, 使数显表显示0.00V。
2、 将10只砝码全部置于传感器的托盘上, 调节电位器RW3( 增益即满量程调节) 使数显表显示为0.200V(2V档测量)或－0.200V。
3、 拿去托盘上的所有砝码, 调节电位器R W4( 零位调节) 使数显表显示为0.0000V。
4、 重复2、 3步骤的标定过程, 一直到精确为止, 把电压量纲V改为重量纲g, 就能够称重。成为一台原始的电子秤。
5、 把砝码依次放在托盘上, 填入下表2－1。
重量( g)

电压(mv)

6、 根据上表, 计算误差与非线性误差。
五、 思考题
1、 全桥测量中, 当两组对边( R1、 R3为对边) 电阻值R相同时, 即R1＝R3, R2＝R4, 而R1≠R2时, 是否能够组成全桥: ( 1) 能够( 2) 不能够。
2、 某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片, 如何利用这四片电阻应变片组成电桥, 是否需要外加电阻。
F
F

R1

R3

R2
R1

R2
R3
R4

R4

F
F

图2－1应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图

实验三 电容式传感器的位移实验
一、 实验目的:
了解电容式传感器结构及其特点。
二、 基本原理:
利用平板电容C＝εA／d和其它结构的关系式经过相应的结构和测量电路能够选择ε、 A、 d中三个参数中, 保持二个参数不变, 而只改变其中一个参数, 则能够有测谷物干燥度( ε变) 测微小位移( 变d) 和测量液位( 变A) 等多种电容传感器。
三、 需用器件与单元:
电容传感器、 电容传感器实验模板、 测微头、 相敏检波、 滤波模板、 数显单元、 直流稳压源。
四、 实验步骤:
1、 按图3－1安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上, 判别CX1和CX2时, 注意动极板接地, 接法正确则动极板左右移动时, 有正、 负输出。不然得调换接头。一般接线: 二个静片分别是1号和2号引线, 动极板为3号引线。
2、 将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、 Cx2插孔上, 动极板连接地插孔( 见图3－1) 。
图3－1电容传感器位移实验接线图
3、 将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接( 插入主控箱Vi孔) , Rw调节到中间位置。
4、 接入±15V电源, 旋动测微头推进电容器传感器动极板位置, 每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值, 填入表3－1。
表3－1 电容传感器位移与输出电压值
X(mm)

V(mv)

5、 根据表3－1数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差δf。
五、 思考题:
试设计利用ε的变化测谷物湿度的传感器原理及结构? 叙述一下在设计中应考虑哪些因素?

实验四 压电式传感器测振动实验
一、 实验目的:
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、 基本原理:
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。( 观察实验用压电加速度计结构) 工作时传感器感受与试件相同频率的振动, 质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上, 由于压电效应, 压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、 需用器件与单元:
振动台、 压电传感器、 检波、 移相、 低通滤波器模板、 压电式传感器实验模板。双踪示波器。
四、 实验步骤:
1、 压电传感器已装在振动台面上。
2、 将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。

图4－1压电式传感器性能实验接线图
3、 将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端, 见图4－1, 与传感器外壳相连的接线端接地, 另一端接R1。将压电传感器实验模板电路输出端Vo1, 接R6。将压电传感器实验模板电路输出端V02, 接入低通滤波器输入端Vi, 低通滤波器输出V0与示波器相连。
4、 合上主控箱电源开关, 调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动, 观察示波器波形。
5、 改变低频振荡器的频率, 观察输出波形变化。
6、 用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
实验五 直流激励时霍尔式传感器位移特性实验
一、 验目的:
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、 基本原理:
根据霍尔效应, 霍尔电势UH＝KHIB, 当霍尔元件处在梯度磁场中运动时, 它就能够进行位移测量。
三、 需用器件与单元:
霍尔传感器实验模板、 霍尔传感器、 直流源、 测微头、 数显单元。
四、 实验步骤:
1、 将霍尔传感器按图5－1安装。霍尔传感器与实验模板的连接按图5－2进行。1、 3为电源±4V, 2、 4为输出。
2、 开启电源, 调节测微头使霍尔片在磁钢中间位置再调节RW1使数显表指示为零。

图5－1 霍尔传感器安装示意图

3、
图5－5-2霍尔传感器位移――直流激励实验接线图
3、 向轴向方向推进, 每转动0.2mm记下一个读数, 直到读数近似不变, 将读数填入表5－1。
表5－1
X( mm)

V(mv)

作出V－X曲线, 计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。
五、 思考题:
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化?

实验六 电涡流传感器综合实验
一、 实验目的:
了解电涡流传感器的工作原理和特性; 不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响; 实际应用中其位移特性与被测体的形状和尺寸有关。
二、 基本原理:
经过高频电流的线圈产生磁场, 当有导电体接近时, 因导电体涡流效应产生涡流损耗, 而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关, 因此能够进行位移测量。不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。实际应用中, 由于被测体的形状, 大小不同会导致被测体上涡流效应的不充分, 会减弱甚至不产生涡流效应, 因此影响电涡流传感器的静态特性。
三、 需用器件与单元:
电涡流传感器实验模板、 电涡流传感器、 直流电源、 数显单元、 测微头、 铁圆片, 铜的被测体圆盘, 不同形状铝被测体二个。
四、 实验步骤:
1、 根据图6－1安装电涡流传感器。

图8－1电涡流传感器安装示意图

图6-1 电涡流传感器安装示意图

图6－2电涡流传感器位移实验接线图

2、 观察传感器结构, 这是一个平绕线圈。
3、 将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中, 作为振荡器的一个元件。
4、 在测微头端部装上铁质金属圆片, 作为电涡流传感器的被测体。
5、 将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。。
6、 用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有＋15V的插孔中。
7、 使测微头与传感器线圈端部接触, 开启主控箱电源开关, 记下数显表读数, 然后每隔0.2mm读一个数, 直到输出几乎不变为止。将结果列入表6－1。
表6－1电涡流传感器位移X与输出电压数据
X( mm)

V(v)

8、 根据表6－1数据, 画出V－X曲线, 根据曲线找出线性区域及进行正、 负位移测量时的最佳工作点, 试计算量程为1mm、 3 mm及5mm时的灵敏度和线性度( 能够用端基法或其它拟合直线) 。
9、 将原铁圆片换成铝和铜圆片, 重复实验二十五步骤, 进行被测体为铝圆片和铜圆片时的位移特性测试, 分别记入表6－2和表6－3。
表6－2被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据

X( mm)

V(v)

表6－3被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据
X( mm)

V(v)

10、 在测微头上分别用三种不同的被测铝圆盘进行电涡位移特性测定, 分别记入表6-4。
表6－4不同尺寸时的被测体特性数据
X( mm)

被测体1

被测体2

根据表6－4数据计算当前范围内三种被测体1号、 2号的灵敏度、 并说明理由。
五、 思考题:
1、 电涡流传感器的量程与哪些因素有关, 如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器?
2、 当被测体为非金属材料如何利用电涡流传感器进行测试?
3、 当前现有一个直径为10mm的电涡流传感器, 需对一个轴直径为8mm的振动进行测量? 试说明具体的测试方法与操作步骤。

实验七 光纤传感器的位移特性实验
一、 实验目的:
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、 基本原理:
本实验采用的是传光型光纤, 它由两束光纤混合后, 组成Y型光纤, 半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束, 另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头, 它与被测体相距X, 由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来, 另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量, 而光电转换器转换的电量大小与间距X有关, 因此可用于测量位移。
三、 需用器件与单元:
光纤传感器、 光纤传感器实验模板、 数显单元、 测微头、 直流源、 反射面。
四、 实验步骤:
1、 根据图7－1安装光纤位移传感器, 二束光纤插入实验板上的座孔上。其内部已和发光管D及光电转换管T 相接。
图7－1光纤传感器安装示意图
2、 将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连, 见图7－2。

图7－2光纤传感器位移实验接线图
3、 调节测微头, 使探头与反射面圆平板接触。
4、 实验模板接入±15V电源, 合上主控箱电源开关, 调RW、 使数显表显示为零。
5、 旋转测微头, 被测体离开探头, 每隔0.1mm读出数显表值, 将其填入表7－1。
表7－1光纤位移传感器输出电压与位移数据
X( mm)

V(v)

6、 根据表7－1数据, 作光纤位移传感器的位移特性曲线, 计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
五、 思考题:
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求?