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检测技术基础实验指导书 上海大学自动化系 检测技术基础实验指导书 2 CSY2000 实验台简介 一、实验台组成 CSY2000 系列传感器与检测技术实验台由主控台、三源板(温度源、转动源、振动源)、15 个(基本型)或 22 个(增强型)传感器和相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌六部分组成。1、主控台部分，提供高稳定的15V、+5V、2V10V 可调、+2V+24V 可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有电压、频率、转速的 3 位半数显表。音频信号源(音频振荡器)0.4KHz10KHz(可调)；低频信号源(低频振荡器)1Hz30Hz(可调)；气压源 015kpa可调；高精度温度控制仪表(控制精度0.5)；RS232 计算机串行接口；流量计。2、三源板：装有振动台 1Hz30Hz(可调)；旋转源 0-2400 转/分(可调)；加热源200(可调)。3、传感器：基本型传感器包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式位移传感器、霍尔式转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流位移传感器、光纤位移传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K 型热电偶、E型热电偶、Pt100 铂电阻，共十五个。增强型部分：可增加温敏传感器、气敏传感器、PSD 位置传感器、扭矩传感器、超声移传感器、CCD 电荷耦合器件、光栅位移传感器等七种传感器和冲击实验台。4、实验模块部分：普通型有应变式、压力、差动变压器、电容式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波十个模块。增强型还增加气敏、湿敏、PSD、扭矩、超声波、CCD、光栅、冲击实验八个模块。5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用 12 位 A/D 转换、采样速度 1000 点/秒，采样速度可以选择，既可单步采样亦能边续采样。标准 RS-232 接口，与计算机串行工作。提供的处理软件有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。6、实验台桌尺寸为 1600800280(mm)，实验台桌上预留计算机及示波器安放位置。上海大学自动化系 3 二、传感器的简要特性列于下表 传感器特性(参考值)序号 实 验 模 板 名 称 量 程 精 度 实验内容 备注 1 基 本 型 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器 0-500g(200g)0.5%1-7 简易电子称 2 压力传感器 扩散硅压力传感器 0-50kpa 2%8-9 差压 3 差动变压器 差动变压器 5mm 1%10-13 4 电容式传感器 电容式传感器 2mm 1%14-15 5 霍尔式位移传感器 霍尔式位移传感器 5mm 2%16-19 6/霍尔式转速传感器 0-2400 转/分 3%20 7/磁电式传感器 0-2400 转/分 1%21-22 8 压电式传感器 压电式传感器 KHz 2%23 9 电涡流位移传感器 电涡流位移传感器 2mm 3%24-29 10 光纤位移传感器 光纤位移传感器 0-1mm 2%30-32 11/光电转速传感器 0-2400/分 1%33-34 12 温度传感器 集成温度传感器-55+150 2%35 13 Pt100 铂电阻 0-800 2%36 三线制 14 K 型热电偶 0-800 3%37-38 15 E 型热电偶 0-800 3%37-38 16 /气敏传感器 50-2000PPm 40 对酒精敏感 17/温敏传感器 10-95%RH 5%41 18 PSD 位移传感器 PSD 位置传感器 2mm 2%42-43 19 扭矩传感器 扭矩传感器 1%44-45 20 超声位移传感器 超声位移传感器 530cm 1cm 46-47 21 CCD 实验仪 CCD 电荷耦合器件 测3-6 直径 2%48-49 22 光栅位移传感器 光栅位移传感器 0-100mm 0.05%50 有观察孔 检测技术基础实验指导书 4 实验一 金属箔式应变片测力性能实验 一、实验目的:了解金属箔式应变片的应变效应，掌握单臂、半桥、全桥测量方法，比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。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：R/R=K 式中R/R 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数，=l/l为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通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，电桥的输出电压反应的受力状态。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、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。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350，加热丝阻值为 50左右。图 1-1 应变式传感安装示意图 2、接入模板电源15V(从主控箱引入)，检查无误后，合上主控箱电源开关，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，输出端与主控箱面板上数显表电压输入端 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。3、单臂电桥测量法是将应变式传感器的其中一个应变片 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模块内已连接好)，接好电桥调零电上海大学自动化系 5 位器 RW1，接上桥路电源4V(从主控箱引入)如图 1-2 所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。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 500g(或 200g)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，S1=u/W(u 输出电压变化量；W 重量变化量)计算线性误差：1=m/ym100%式中m 为输出值(多次测量时为平均值)与拟合直线的最大偏差：ym满量程输出平均值，此值为 500g 或 200g 所对应的电压值。6、半桥测量法是将不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，首先做步骤 2，实验模板差动放大器调零。然后根据图 1-3 接线。R1、R2为实验模板左上方的应变片，注意 R2应和 R1受力状态相反，即将传感器中两片受力相反(一片受拉、一片受压)的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源4V，调节电桥调零电位器 RW1进行桥路调零。重复 4、5 的步骤，将实验数据记入表 1-2，计算灵敏度 S2=U/W，非线性误差2。检测技术基础实验指导书 6 图 1-3 应变片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(g)电压(mv)7、全桥测量法是将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边。重复上述实验，根据图 1-4 接线，重复测量多次，将实验结果填入表 1-3。进行灵敏度 S3，非线性误差3，滞环和重复性的计算。图 1-4 全桥性能实验接线图 上海大学自动化系 7 表 1-3 全桥输出电压与加负载重量值 重量(g)电压(mv)重量(g)电压(mv)重量(g)电压(mv)重量(g)电压(mv)五、思考题：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。计算全桥输出的滞环、重复性。检测技术基础实验指导书 8 实验二 电涡流传感器实验 一、实验目的：了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性及不同的被测体材料对电涡流传感器性能的影响。二、基本原理：通以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，因此可以进行位移测量。涡流效应与金属导体本身的电阻率和磁导率有关，因此不同的材料就会有不同的性能。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、铜圆片、铝圆片。四、验步骤：1、根据图21 安装电涡流传感器。图21 电涡流传感器安装示意图 图 22 电涡流传感器位移实验接线图 上海大学自动化系 9 2、传感器结构，这是一个扁平绕线圈。、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有的两端插孔中，作为振荡器的一个元件（传感器屏蔽层接地）。、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。、将实验模板输出端 V0 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。、用连接导线从主控台接入15V 直流电源到模板上标有+15V 的插孔中。、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2-1。表2-1 电涡流传感器位移X 与输出电压数据 X(mm)V(v)8、将原铁圆片换成铝和铜圆片。9、重复上述步骤，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 2-2 和表2-3。表2-2 被测体为铝圆片时的位移为输出电压数据 X(mm)V(v)表2-3 被测体为铜圆片时的位移与输出电在数据 X(mm)V(v)10、根据表2-1、表2-2、表2-3 的数据，画出V-X 曲线，试计算量程为2mm 时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。五、思考题：当被测体为非金属材料，如何利用电涡流传感器进行测试？检测技术基础实验指导书 10 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=A/d 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、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，则可以有测谷物干燥度(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。图 3-1 电容传感器安装示意图 2、将电容传感器连线插入电容传感器实验模板，实验线路见图 3-2。图 3-2 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 V01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传感器动极板位置，每间隔 0.2mm 记下位移 上海大学自动化系 11 X 与输出电压值，填入表 3-1。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。五、思考题：利用电容传感器测量位移与利用应变片测力在测量方法上有什么不同？另外至少写出两种可以用来测量位移变化的传感器?检测技术基础实验指导书 12 实验四 光电转速传感器的转速测量实验 一、实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。二、基本原理：光电式转速传感器有反射型和直射型二种，本实验装置是反射型的，传感器部有发光管和光电管，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接受转换成电信号，由于转盘有黑白相间的 12 个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲，将电脉计数处理即可得到转速值。三、需用器件与单元：光电转速传感器、5V 直流电源、转动源单元及转速调节 2-24V、数显转速频率表。四、实验步骤：1、光电转速传感器安装如图 4-1 所示，在传感器支持架上光电转速传感器，调节高度，使传感器端面离平台表面2-3mm，将传感器引线分别插入相应插孔，其中棕色接入直流电源+5V，黑色为接地端，兰色输入主控箱Fin。转速频率表置“转速”档。图4-1 光电转速传感器安装示意图 2、将转速调节2-24V 接到转动源24V 插孔上。3、合上主控箱电源开关，使电机转动并从转速频率表上观察电机转速。如显示转速不稳定，可调节传感器的安装高度。五、思考题：显示转速与实际转速之间的关系。列举另外两种测量转速的传感器。