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实验1 电感式传感器——差动变压器性能测试

实验目的
了解差动变压器的基本构造及原理, 经过实验验证差动变压器的基本特性。
实验器件
音频振荡器、 测微头、 示波器、 主副电源、 差动变压器。
旋钮初始位置
音频振荡器的振荡频率为4kHz～8kHz, 双线示波器每格读数为示波器上”>”后面所对应的数字, 触发选择”第一通道”, 主、 副电源关闭。
实验原理
电感传感器是一种基于互感的原理, 将位置量的变化(即位移)转变为电感量变化的传感器。如图1所示, 它由初级线圈L、 次级线圈L1、 L2与铁心P构成, 本质上, 它是一个变压器, 且因其两个次级线圈按反极性串联组成差动式, 故电感式传感器又称差动变压器式传感器。当初级线圈L加入交流电压时, 若u1=u2, 则输出电压u0= u1–u2=0, 当铁心向上运动时, 因u1 > u2, 故u0 > 0, 当铁心向下运动时, 因u1 < u2, 故u0 < 0, 且铁心偏离中心位置越大, u0 越大。其输出特性曲线如图所示。

(a) 电路

(b) 输出特性
图1 差动变压器式传感器的工作原理
实验步骤
1、 根据图2接线, 将差动变压器、 音频振荡器( 注意: 输出为LV) 、 双线示波器连接起来, 组成一个测量线路。开启主、 副电源, 将示波器探头分别接至差动变压器的输入端和输出端, 观察差动变压器初级线圈音频振荡器激励信号峰峰值为2V。

图2 器件连接图
(两线圈两上极联在一起, 示波器两通道均不能接地)
2、 转动测微头, 使其与振动平台吸合, 然后将其向上转动5mm, 使振动平台向上移动。
3、 向下旋动测微头, 使振动平台产生位移。每位移0.2mm, 用示波器读出差动变压器输出端的峰值电压, 并填入表, 根据所得数据计算灵敏度S(S＝Δu/Δx, 其中, Δu为电压变化, Δx为对应振动平台的位移变化), 并作出u- x关系曲线。
表1-1 位移与输出电压之间的关系
位移x /mm
5
4.8
4.6
…
0.2
0
-0.2
…
-4.8
-5
电压u0/mv

思考题
1、 根据实验结果, 指出线性范围。
2、 当差动变压器中磁棒的位置由上到下变化时, 双线示波器观察到的波形相位会发生怎样的变化?
3、 用测微头调节振动平台位置, 使示波器上观察到的差动变压器的输出端信号为最小, 这个最小电压称作什么? 由于什么原因造成?
实验2 电容传感器性能测试
实验原理
差动式同轴变面积型电容传感器的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂, 当电容量发生变化时, 桥路输出电压发生变化。此圆筒形电容器的电容计算式为( 与差动变压器实验的螺旋测微器相同)

式中, x——内圆筒与外圆筒覆盖部分的长度, m;
r1、 r2——筒的内半径与外半径, 即工作半径, m;

图2-1差动式同轴变面积型电容传感器

图2-2 实验接线图
实验器件
电容传感器、 电容传感器实验模块、 激振器I、 测微仪
实验要求
记录数据, 作出u-x曲线, 求出灵敏度。
实验步骤
1、 观察电容传感器结构, 传感器由一个动极与两个定级组成, 连接主机与实验模块的电源线及传感器接口, 按图2-2接线, 增益适当;
2、 打开主机电源, 用测微仪带动传感器动极, 移至两定极中间, 调整调零电位器, 使模块电路输出电压为零;
3、 上下移动动极, 每次移动0.1mm, 直至动静极完全重合为止, 记录数据, 作出v-x曲线, 求出灵敏度;
表2-1 位移与输出电压之间的关系
位移x/mm

电压u /v

4、 移开测微仪, 将电容传感器安装在主机振动平台旁的支架上, 在振动平台上装好传感器动极, 用手按动平台, 使平台振动时电容传感器的动极与定极不碰擦为宜;
5、 开启”激振I”开关, 振动台就会带动动极在两定极中间来回振动, 从示波器中观察输出电压及其波形;
注意事项
电容传感器动极须置于两环型定极中间, 安装时, 须仔细调整, 实验过程中, 动极与定极不能出现碰擦, 否则信号会发生突变。实验3 压电加速度传感器的动态响应实验
实验目的
了解压电传感器的原理、 结构及应用。
实验单元
低频振荡器、 电荷放大器、 低通滤波器、 单芯屏蔽线、 压电传感器、 双线示波器、 激振线圈、 磁电传感器、 电压/频率表、 主副电源、 振动平台。
旋钮的初始位置
低频振荡器的幅度旋钮置于最小, 电压/频率表置于2kHz档。
实验原理
压电加速度传感器是一种发电型的、 有源传感器, 其压电元件是典型的力敏元件, 即在压力、 应力、 加速度等外力作用下, 其电介质表面会产生一定的电荷, 从而实现非电量的电测。

图3-1 实验接线图
实验部件
压电加速度传感器、 电路实验模块、 激振器II、 电压/频率表、 示波器。
实验要求
验证压电加速度传感器是一种对外力变化敏感的传感器。
实验步骤
1、 观察压电式传感器的结构, 根据图3-1的电路结构, 用线将压电传感器、 电荷放大器、 低通滤波器、 双线示波器连接起来, 组成一个测量线路。
2、 将频率表的输入端与低频振荡器的输出端相连, 再将低频振荡信号接入振动台的激振线圈II, 使其由上极输入, 下极接地。
3、 调整示波器, 先将低频振荡器的调幅旋钮调至最大并保持不动, 然后调节频率, 调节时, 用频率表监测频率的变化, 用示波器读出峰值(即为电压), 并填入表3-1。
表3-1 频率-电压表
频率f /Hz
5
7
12
15
17
20
25
电压u /v

4、 用示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形, 并与压电波形相比较, 观察其波形的相位差。
注意事项
激振时, 悬臂梁振动频率不能过低( 如低于5Hz) , 否则传感器的输出不稳定。
思考题
1、 根据实验结果, 试估算出振动台的自振频率。
2、 压电式传感器的特点是什么? 与磁电式传感器相比, 其输出波形的相位差Δφ大致为多少? 并说明原因。

实验4 应变片电桥性能测试
实验目的
确定电阻应变片测量装置的灵敏度。
实验单元
直流稳压电源、 差动放大器、 电桥、 测微计、 电压/频率表、 纵向与横向安装的箔式应变片、 半导体应变片。
实验原理
电阻应变片测量装置的框图和参数变换原理如图4-1所示。

图4-1 电阻应变片测量装置的框图与参数变换原理

测量装置的输入为应变梁一端的位移, 输出为应变片电桥的输出电压, 则电阻应变片测量装置的灵敏度为

实验方法
(1)检查各单元旋钮的初始位置
直流稳压电源输出置于2v档, V/F表置于V表20v档, 差动放大器增益旋钮置于最大。
(2)组桥
电桥单元和差动放大器面板如图4-2a、 b所示。电桥单元上部的四个桥臂电阻为组桥示意标记, 其中, 、 和分别为备用的桥臂电阻, 按需接入桥路, 表示外接桥臂电阻(如应变片或固定电阻); 分析梁上各应变片的受力状态, 选择沿应变梁纵向安装的应变片(如第3组)组成测量电路, 如图4-3所示。

a) 电桥单元 b) 差动放大器面板
图4-2 电桥单元和差动放大器面板

图4-3 测量电路的组成

(3)调整测量电路
差动放大器调零: 用导线将差动放大器的同向输入端、 反向输入端与地线相连, 电压表量程置于2V档。调整差动放大器增益旋扭, 并调至最大, 再调整差动放大器的调零旋扭, 使电压表指示为零。稳定后, 断开差动放大器电源, 去掉差动放大器输入端的导线, V/F表置于20V档。
电桥的初始平衡: ①转动测微计, 使梁上振动平台中间的磁铁与测微头相吸, 并使双平衡梁处于水平位置(目测); ②将直流稳压电源输出置于4V档, 接通差动放大器电源, 调整电桥平衡电位器RP, 使电压表指示为零; ③稳定数分钟后, 将电压表量程置于2V档, 再仔细调零。
(4)测量应变片电桥的输出电压
旋转测微计进行加载, 使梁的自由端向下产生位移, 每次移动0.5mm(可根据灵敏情况来选择), 直至4 mm, 记下电压表所显示的数值; 然后卸载, 每次也移动0.5 mm, 直至零位; 加载与卸载重复进行3次, 记录测试数据, 并填入表4-1。

表4-1 位移-电压表
位移x /mm
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
正行程电压u /v

反行程电压u /v

(5)重新实验
①断开差动放大器电源, 将电压表量程返回到20档, 将应变片换成沿应变梁横向安装的补偿片重新进行实验。
②选择半导体应变片, 重新进行实验。
实验报告
处理测试数据, 分别作出的标定曲线和拟合曲线, 计算测量装置的灵敏度、 与。
思考题
1)电阻应变片主要应用于哪种物理量的测量, 如何测量材料的泊松比?
2)与箔式应变片相比, 半导体应变片有何特点?

实验5 霍尔传感器—振幅测量
实验目的
了解霍尔式传感器在振动测量中的应用。
实验部件
霍尔片、 磁路系统、 差动放大器、 电桥、 移相器、 相敏检波器、 低通滤波器、 低频振荡器、 音频振荡器、 振动平台、 主副电源、 激振线圈II、 双线示波器。
旋钮初始位置
差动放大器增益旋至最大值, 音频振荡器1kHz。
实验步骤
1、 开启主副电源, 差动放大器输入短接并接地, 调零后, 关闭主副电源。

图4-1 实验接线图

2、 根据图4-1的电路结构, 将霍尔传感器、 直流稳压电源、 电桥平衡网络、 差动放大器、 电压表连接起来, 组成一个测量线路( 电压表应置于20V档) , 并将差动放大器增益置于最小位置。
3、 开启主副电源, 转动测微头, 将振动平台中间的磁铁与测微头分离开来并使之远离, 使梁振动时不至于再被吸住为止( 这时振动台处于自由静止状态) 。
4、 调整电桥平衡电位器WA和WD, 使电压/频率表指示为零。
5、 去除差动放大器与电压表的连线, 将差动放大器的输出与示波器相连, 将电压/频率表置2kHz档, 并将低频振荡器的输出端与激振线圈II相连后再用电压/频率表监测频率。
6、 将低频振荡器的调幅旋钮固定于某一位置, 调节低频振荡频率(用频率表监测频率), 用示波器读出低通滤波器输出的峰值, 并填入表4-1。
表4-1 频率-电压表
频率f /Hz
5
7
12
15
17
20
25
电压u /v

注意事项
应仔细调整磁路, 使传感器工作时处于梯度磁场中, 否则灵敏度将大大下降。
思考题
1、 根据实验结果, 估算出振动平台的自振频率。
2、 当某一频率固定时, 调节低频振荡器的幅度旋钮, 改变梁的振动幅度, 由示波器的读数能否推算出梁振动时的位移距离。
3、 若用其它方法来测量振动平台振动时的位移, 则其测量范围是多少, 与本实验相比, 其结果有什么不同。