《传感器与检测技术》实验指导书修订.docx

自动化专业传感器与检测技术课程实验指导书撰写人：闫奇瑾审定人：辅小荣第一部分绪论 1第二部分 基本实验指导 2实验一箔式应变片桥路性能比较 2实验二电涡流式传感器的静态标定 6实验三 差动变面积式电容式传感器的静态特性 9实验四霍尔式传感器静态特性实验 11第一部分绪论本指导书是根据传感器与检测技术课程实验教学大纲编写的，适用于自动化专业。一、本课程实验的作用与任务传感器与检测技术实验是传感器与检测技术课程教学的重要环节，是自动化专业的专业基础实验课。通过实验，使学生加深理解传感技术的一般理论原理，了解各种传感器性能，掌握选用原则和设计方法，学会对各种参数的测量及分析技术。二、本课程实验的基础知识本课程主要介绍传感器与检测技术基础理论， 传感器的基本原理和结构，非 电量的检测技术及系统，抗干扰技术和微机在检测中的应用等。 实验要求的基础 知识主要有传感器的静态和动态特性，电阻式传感器，电感式传感器、 电容式传 感器、磁电式传感器的基本工作原理、结构、测量电路以及应用方法等。三、本课程实验教学项目及其教学要求序号实验项目名称学 时教学目标、要求1箔式应变片桥路性能比较2教学目标：观察电阻应变片组成结构，了解箔式应变片工作原 理，熟悉半桥、全桥电路。教学要求：观察应变片输出电路分别接成半桥、全桥时的输出 变化，作出特性曲线，分析灵敏度等静态特性。2电涡流式传感器的静态标定2教学目标：了解电涡流传感器工作原理，观察组成结构，熟悉 有关测量电路。教学要求：实验求出线圈与涡流片间位移变化时输出信号特性 曲线，分析计算其静态特性。3差动变面积式电容式传感器的 特性2教学目标：掌握电容式传感器的工作原理和测量方法；观察电 容式传感器的结构和外形。教学要求：用实验的方法测出电容动片的上下位移与输出信号间的特性曲线，分析其灵敏度。4霍尔式传感器静态特性实验2教学目标：了解霍尔传感器的工作原理，观察组成结构，熟悉 相关测量电路。教学要求：实验求出霍尔片在梯度磁场中位移变化对输出信号 间的特性曲线，分析计算其静态特性。合 计8第二部分基本实验指导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，半桥双臂，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：图1-1应变电桥半桥双臂和全桥电路原理._R1R3-R2R4.U 0U(R R2)(R3 R4)AR 2AR 4 一已知单臂、半桥双臂和全桥电路的Z2R分别为:"、丁、丁。电桥灵敏度S =?V / ?X ,于是对应于单臂、半桥双臂和全桥的电压灵敏度分别为 1/4 U、1/2U 和U。三、主要仪器及耗材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、实验接插线。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。四、实验内容与步骤1 .调零。差动放大器增益旋钮置100倍(顺时针方向旋到底)，手、”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1-2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。图1-2半桥双臂桥路图1-3全桥桥路3 .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。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。测微头每移动0.5mm-4 -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，将数据 填入下列测试数据列表中。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1-2中电桥固定电阻R1、R2、R3分别换成箔式应变片，按图1-3全桥桥路接成全桥 测试系统。6 .重复上面的3-4步骤，测出半桥双臂和全桥输出电压并列表， 计算灵敏 度。S=?V / ?X 单位：v/mm。7 .实验完毕，关闭主副电源，所有旋钮转到初始位置，将测微头从悬臂梁 上拿开。五、数据处理与分析1 .根据测出的半桥双臂和全桥输出电压列表，在坐标纸上同一坐标系下做 出V X关系曲线。表1-1半桥双臂正行程位移mm电压V表1-2半桥双臂反行程位移mm电压V位移mm电压V表1-4全桥反行程位移mm电压V2 .根据所得结果，分别计算两种桥路的灵敏度S= AV / AX （注意单位V/mm）。计算方法可采用课程中学过的数据拟合方法。并计算相应的线性度、 迟滞等其它静态特性指标。3 .比较两种桥路的灵敏度，并做出定性的结论。六、实验注意事项1.实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插 线，以避免引入干扰。2,接插线插入插孔时轻轻地做一个小角度的转动，以保证接触良好，拔出 时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。3 .稳压电源不要对地短路。4 .在半桥、全桥电路中应变片接入电桥时注意其受力方向，一定要接成差 动形式。5 .直流激励电压不能过大，以免造成应变片自热损坏。6 .在更换应变片时应将电源关乱7 .在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程折大。8 .电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，使组桥 容易。七、思考题1 .本实验电路对直流稳压电源耐放大器有何要求？2 .分析实验中遇到的困难和问题以及解决方法，对本实验进行小结。-17 -实验二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2-1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,殳线（*雷物体图2-1涡流式位移传感器的基本结构及工作原理则输出电压是距离X的单值函数。-O出ft n 电三、主要仪器及耗材CSYio型传感器系统实验仪：电涡流线圈、三种材质的金属涡流片、电涡流 变换器、测微头、电压表。四、实验内容与步骤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2-2所示。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。（该状态只适用于铁片，铝片和铜片在贴贴紧状态下输出并不为0,思考一下为什么？）。涡流变换器图2-2涡流式位移传感器测试接线图4 .适当调节传感器的高度，使其与被测铁片接触，从此开始读数，记下示 波器及电压表的数值，填入下表。建议每隔0.10mm读数，到线性严重变坏为止。根据实验数据。在坐标纸上 画出V X曲线，指出大致的线性范围，求出系统灵敏度。（最好能用误差理论的方法求出线性范围内的线性度、灵敏度）。可见，涡流传感器最大的特点是,传感器与被测体间有一个最佳初始工作点。 这里采用的变换电 路是一种 o实验完毕关 闭主、副电源。5 .换用不同材质的金属涡流片，重复实验步骤1- 4。根据所得结果，在同 一坐标纸上画出被测体为铝和铁的两条 V-X曲线，并计算灵敏度与线性度，比较它们的线性范围和灵敏度。关闭主、副电源。可见，这种电涡流式传感器在被测体不同时必须重新进行 标定。五、数据处理与分析1 .根据测量得到的数据在坐标纸上同一坐标系下做出三种金属涡流片的V X关系曲线。表2-1铁片位移mm电压V表2-2铝片位移mm电压V表2-3铜片位移mm电压V2 .根据所得结果，分别计算三种金属涡流片的灵敏度 S= AV/AX （注意单 位V/mm） o计算方法可采用课程中学过的数据拟合方法，并计算相应的线性度、迟滞等其它静态特性指标。3 .比较求出的灵敏度，并做出定性的结论。六、实验注意事项1 .实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插 线，以避免引入干扰。2 .接插线插入插孔时轻轻地做一个小角度的转动，以保证接触良好，拔出 时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。3 .稳压电源不要对地短路。4 .被测体与涡流传感器测试探头平面尽量平行，并将探头尽量对准被测体 中间，即属于一个同心圆的位置，以减少涡流损失。5 .传感器在初始时可能为出现一段死区。6 .此涡流变换线路属于变频调幅式线路，传感器是振荡器中一个元件，因 此材料与传感器输出特性之间的关系与定频调幅式线路不同。七、思考题1 .请回答实验步骤中提出的问题。2 .分析实验中遇到的困难和问题以及解决方法，对本实验进行小结。实验三差动变面积式电容式传感器的静态特性一、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。三、主要仪器及耗材CSYio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、电压表。四、实验内容与步骤1 .电容变换器和差动放大器的增益适中，按照实验一的方式对差动放大器进行 调零；2 .按图3-1接线；Cx1图3-1电容传感器测试接线图3 .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。4 .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VX曲线，计算灵敏度，S=?V / ?X 单位：v/mm。五、数据处理与分析1 .根据测量得到的数据在坐标纸上同一坐标系下做出正反行程的VX关系曲线。表3-1正行程位移mm电压V表3-2反行程位移mm电压V2 .根据所得结果，计算电容传感器的灵敏度 S= AV/AX（注意单位V/mm） 计算方法可采用课程中学过的数据拟合方法， 并计算相应的线性度、迟滞等其它 静态特性指标。3 .做出定性的结论。六、实验注意事项1.实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰。2,接插线插入插孔时轻轻地做一个小角度的转动，以保证接触良好，拔出 时也轻轻地转动一下拔出，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内导线断裂。3 .稳压电源不要对地短路。4 .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。5 .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。因此，增益应放在适中位置。七、思考题分析实验中遇到的困难和问题以及解决方法，对本实验进行小结。实验四霍尔式传感器静态特性实验一、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 X0图7-1霍尔位移传感器测量原理三、主要仪器及耗材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。四、实验内容与步骤1 . 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔 片的符号。霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。2 .开启主、副电源，将差动放大器调零后，增益置适中，关闭主电源3 .根据图7-2接线，Wd、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。4 .装好测微头；调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。5 .开启主、副电源，调整 Wd使电压表指示为零。6 .向上或向下旋动测微头开始行程测试，建议测微头每移动0.25mm记录一 个输出电压值，将读数记录入下表。五、数据处理与分析1 .根据测量得到的数据在坐标纸上同一坐标系下做出正反行程的VX关系曲线。表3-1正行程位移mm电压V表3-2反行程位移mm电压V2 .根据所得结果，计算霍尔式位移传感器传感器的灵敏度 S=AV/ AX （注 意单位V/mm）0计算方法可采用课程中学过的数据拟合方法，并计算相应的线 性度、迟滞等其它静态特性指标。3 .做出定性的结论。六、实验注意事项1 .由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。2 .一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。3 .激励电压不能过大，以免损坏霍尔片。七、思考题本实验测出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场，位移测量的线性度、 灵敏度与磁场分布有很大关系。请根据测量数据给出结论并分析实验中遇到的困 难及处理方法。