[工学]自动检测技术与装置实验指导书.doc

自动检测技术与装置实验指导书自动检测技术与装置实验指导书适用专业:自动化 课程代码:8208100 学时:8 学分: 编写单位: 编 写 人:宋春华 系(部)主任: 分管院长: 目录使用说明3实验一 箔式应变片性能单臂、半桥、全桥10实验二 差动变压器的标定18实验三 差动变压器的振动测量21实验四 差动螺管式电感传感器位移、振幅测量22实验五 PN 结温度传感器27实验六 光纤位移传感器一一位移、转速测量29实验七 光电传感器的应用一光电转速测试34实验八 电涡流式传感器的静态标定及振幅测量35实验九 压电加速度式传感器39实验十 霍尔传感器的应用一一振幅测量42使用说明CSY系列传感器系统实验仪是用于检测仪表类课程教学实验的多功能教学仪器。其特点是集被测体、各种传感器、信号激励激、处理电路和显示器于一体，可以组成一个完整的测试系统。通过实验指导书所提供的数十种实验举例，能完成包含光、磁、电、温度、位移、振动、转速等内容的测试实验。通过这些实验，实验者可对各种不同的传感器及测量电路原理和组成有直观的感性认识，并可在本仪器上举一反三开发出新的实验内容。实验仪主要由实验工作台、处理电路、信号与显示电路三部分组成一、位于仪器顶部的实验工作台部分，左边是一副平行式悬臂梁，梁上装有应变式、热敏式、P-N结温度式、热电式和压电加速度五种传感器。平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号和表示。其中六片为金属箔式片(BHF-350)。横向所贴的两片为温度补偿片，用符号和表示。片上标有"BY"字样的为半导体式应变片，灵敏系数130。热电式(热电偶):串接工作的两个铜一康铜热电偶分别装在上、下梁表面，冷端温度为环境温度。分度表见实验指导书。热敏式:上梁表面装有玻璃珠状的半导体热敏电阻MF-51，负温度系数，25时阻值为81OK。P-N结温度式:根据半导体P-N结温度特性所制成的具有良好线性范围的温度传感器。压电加速度式:位于悬臂梁右部，由PZT-5双压电晶片，铜质量块和压簧组成，装在透明外壳中。实验工作台右边是由装于机内的另一副平行梁带动的圆盘式工作台。圆盘周围一圈所安装有(依逆时针方向)电感式(差动变压器)、电容式、磁电式、霍尔式、电涡流式五种传感器。电感式(差动变压器):由初级线圈Li和两个次级线圈Lo绕制而成的空心线圈，圆柱形铁氧体铁芯置于线圈中间，测量范围>lOmm。电容式:由装于圆盘上的一组动片和装于支架上的两组定片组成平行变面积式差动电容，线性范围3mm。磁电式:由一组线圈和动铁(永久磁钢)组成，灵敏度0·4V/m/s。霍尔式，HZd-半导体霍尔片置于两个半环形永久磁钢形成的梯度磁场中，线性范围3mm。电涡流式:多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成的传感器，线性范围>lmm光电式传感器装于电机侧旁。两副平行式悬臂梁顶端均装有置于激振线圈内的永久磁钢，右边圆盘式工作台由"激振"带动，左边平行式悬臂梁由"激振II"带动。为进行温度实验，左边悬臂梁之间装有电加热器一组，加热电源取自l5V直流电源，工作时能获得高于温度30左右的升温。以上传感器以及加热器、激振线圈的引线端均位于仪器下部面板最上端一排。实验工作台上还装有测速电机一组及控制、调速开关。两只测微头分别装在左、右两边的支架上。二、信号及显示部分:位于仪器上部面板。见图（2）低频振荡器:13OHz输出连续可调，Vp-p值2OV，最大输出电流O.5A，Vi端插口可提供用作电流放大器。音频振荡器:O.4KHzlOKHz输出连续可调，Vp-p值2OV，1800、00为反相输出，Lv端最大功率输出0.5A。直流稳压电源:土l5V，提供仪器电路工作电源和温度实验时的加热电源，最大输出l.5A。土2V士lOV，档距2V，分五档输出，提供直流信号源，最大输出电流1.5A。数字式电压/频率表:3.5位显示，分2V、2OV、2KHz、2OKHz四档，灵敏度>5OmV，频率显示5Hz2OKHz。指针式直流毫伏表:测量范围5OOMv、5OmV、5mV三档，精度2.5。三、处理电路:位于仪器下部面板。见图(3)电桥:用于组成应变电桥，面板上虚线所示电阻为虚设，仅为组桥提供插座。R1， R2，、R3，为350标准电阻，WD为直流调节电位器，WA为交流调节电位器。差动放大器:增益可调比例直流放大器，可接成同相、反相、差动结构，增益1100倍。光电变换器:提供红外发射、接收、稳幅、变换，输出模拟信号电压与频率变换方波信号。四芯航空插座上装有光电转换装置和两根多模光纤(一根接收，一根发射)组成的光强型光纤传感器。电容变换器:由高频振荡、放大和双T电桥组成。移相器:允许输入电压2OVp-p，移相范围土40。(随频率有所变化)。相敏检波器:极性反转电路构成，所需最小参考电压0.5Vp-p，允许最大输入电压2OVp-p。电荷放大器:电容反馈式放大器，用于放大压电加速度传感器输出的电荷信号。电压放大器:增益5倍的高阻放大器。涡流变换器:变频式调幅变换电路，传感器线圈是三点式振荡电路中的一个元件。温度变换器:根据输入端热敏电阻值及P-N结温度传感器信号变化输出电压信号相应变化的变换电路。低通滤波器:由5Ohz谐波器和RC滤波器组成，转折频率35Hz左右。使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下角处的开关控制处理电路的士l5V工作电源，进行实验时请勿关掉。指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象，不影响测试。请用户注意，本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证，而非工程应用型的传感器定量测试。各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常:1. 应变片及差动放大器，参考图1-5进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。各接线图两个节点间即为一实验接插线，接插线可多根迭插，为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转。2. 半导体应变片，进行半导体应变片直流半桥实验。3. 热电偶，按附图4接线（略），加热器接15V电源，另一端接地，观察随温度升高热电势的变化。4. 热敏式，按附图5接线（略），进行"热敏传感器实验"，电热器加热升温，观察随温度升高"Vo"端输出电压变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。5. P-N结温度式，进行P-N结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度T。6. 进行"移相器实验，用双踪示波器观察两通道波形。7. 进行"相敏检波器实验"，相敏检波端口序数请参照附图6（略），其中4端为参考电压输入端。8. 进行"电容式传感器特性"实验，接线参照附图7（略）。当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器Vo端电压应正负过零变化。9. 进行"光纤传感器位移测量"，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微头带动反射片位置变化，从"V。"端读出电压变化值。光电变换器"F。"端输出频率变化方波信号。测频率变化时可参照"光纤传感器转速测试"步骤进行。10. 进行光电式传感器测速实验，VF端输出的是频率信号。11. 将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端、输出端用示波器观祭，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。12. 进行"差动变压器性能"实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。13. 进行"霍尔式传感器直流激励特性"实验，接线参照实验十图，直流激励信号绝对不能大于士2V，否则一定会造成霍尔元件烧坏。14. 进行"磁电式传感器"实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形，参见附图12（略）。15.进行"压电加速度传感器"实验，接线参见实验九图。此实验与上述第12项内容均无定量要求。16.进行"电涡流传感器的静态标定"实验，接线参照实验八图，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。17.如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅数据采集及处理说明。数据采集卡已装入仪器中，其中A/D砖换是12位转换器，无漏码最大分辨率1/2048(即0.05)，在此范围内的电压值可视为容许误差。所以建议在做小信号实验(如应变电桥单臂实验)时选用合适的量程，以正确选取信号。仪器后部的RS232接口请接计算机COM2口串行工作。否则计算机将收不到信号。仪器工作时需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。仪器的型号不同，传感器种类不同，则检查项目也会有所不同。上述检查及实验能够完成则整台仪器各部分均为正常。实验时请非常注意实验指导书中实验内容后的"注意事项"，要在确认接线无误的情况下开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，加热时"l5V"电源不能直接接入应变片、热敏电阻和热电偶。实验工作台上各传感器部分如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。附件中的称重平台是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方，环形圆片代替砝码做称重实验。实验开始前请检查实验连接线是否完好，以保证实验顺利进行。最后需要说明的一点是:该实验仪器所有实验的数据输出可以通过电压/频率表输出，也可以通过微机采样而得到。 实验仪外观及各部分的名称如下图(1)、图(2) 图(3)：图（1）1.验台架2.臂梁3.压电加速度传感器4.测微头5.光电式传感器6.电机7.霍尔式传感器8.电涡流式传感器9.测微头10.磁电式传感器11.电容式传感器12.电感式传感器（差动式变压器）13.圆盘式工作台实验一 箔式应变片性能单臂、半桥、全桥一、实验目的和任务、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。、测试应变梁变形的应变输出。、比较各桥路间的输出关系。二、实验所需部件直流稳压电源(士4V档)、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。三实验原理本实验说明箔式应变片及单臀直流电桥的原理和工作情况。 电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出。可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩和重量等，在机械加工、计量和建筑测量等行业应用十分广泛。 1、电阻应变效应 所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变的同时其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。以圆柱形导体为例：设其长为L、半径为R，材料的电阻率为p时其电阻R为(根据电阻的定义式) （11） 当导体因某种原因产生应变时，其长度L截面积A和电阻率p的变化为，相应的电阻变化为dR。对式(11)全微分得电阻变化率dR/R为 （12） 式中，为导体的轴向应变量或，dr/r为导体的横向应变量或。由材料力学得 (13) 式中，为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为03-05左右，负号表示两者的变化方向相反。将式(13)代入式(12)得 (14) 式(1-4)说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变(几何效应)和本身特有的导电性能(压阻效应)。 2、应变灵敏度 它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。 (1)金属导体的应变灵敏度主要取决于其几何效应。 可取 (15) 其灵敏度系数为 (16) 金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右，不超过5。 (2)半导体的应变灵敏度K：主要取决于其压阻效应。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压电电阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象我们称之为半导体的压阻效应。且不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正(使电阻增大)的或负(使电阻减小)的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。半导体的压阻效应可表示为 （17） 其中为材料的压阻系数，取决于材料本身性质；E为材料的弹性模量。 故半导体的应变灵敏度系数为 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，可正可负，与材料性质和应变方向有关，其灵敏度系数较大，一般为100-200。 3、基本结构 电阻应变式传感器主要由四个部分组成，如图l一1所示。图中引出线作为连接测量导线用，对测量精度至关重要；电阻丝也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类传感器的核心构件；黏结剂的作用是将电阻丝与基底粘贴在一起；基底是将传感器弹性体的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；面胶或叫覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用。图11应变片结构4、检测原理 电阻应变片直接感受到的是构件的应变或应力，测量时必须把应变片粘贴在机械的弹性体上，当外力作用到弹性体元件上时，弹性体被压缩或拉伸，即产生微小的机械变形，粘贴在弹性体上的应变片感受到应力盯的作用，根据材料力学中的虎克定律可知：应变与应力成正比，即：。又由应变效应可知应变片的应变与其电阻值的相对变化率dRR成正比，以此实现对微小的机械变量的检测。5、测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。 电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。直流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小，双臂输出是单臂的两倍，全桥工作时的输出是单臂时的四倍。因此，为了得到较大的输出电压或电流信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如图12所示。 (a)直流电桥 (b)交流电桥 (c)单臂输出注：此为应变电阻 (d)双臂输出 (e)全桥输出图12测量电路类型当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臀四个电阻R、R、R、R中，电阻的相对变化率分别为RR，RR，RR，RR。当使用一个应变片时，RRR；当二个应变片组成差动状态工作，则有R2RR；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，R4RR。由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。半桥直流测量电路分析：图13直流半桥测量电路设二片应变片的灵敏度相同，当产生一应变时，引起电阻变化R也相同。为方便分析，设各电阻起始值均为R，则平衡时输出为零，不平衡时的输出如下式 （18） 上式说明：当相对桥臂接以性质相同的应变电阻时，输出电压与它们的应变电阻之和成正比，若相邻桥臂接上应变电阻，则输出电压与它们的应变电阻之差成正比。直流全桥测量电路分析：图14直流全桥测量电路设四片应变片的灵敏度相同、起始电阻也相同，均为R。当Rl，R3产生拉应变，R2，R4。产生压应变时，引起的电阻变化分别为R和一R。则其输出电压如下式 （19） 上式说明当相对桥臂接以性质相同的应变电阻时，输出电压与它们的应变电阻之和成正比。要注意应变片的应变性质，否则会使应变相互抵消。四、实验步骤:（一）半桥单臂1 调零。开启仪器电源，差动放大器增益置100倍(顺时针方向旋到底)，"十、一"输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，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。调零后电位器位置不要变化。如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整"调零"电位器，使指针居"零"位。拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。调零后关闭仪器电源。图15测量电路原理图2 按图(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、下梁中的一片工作片)。直流激励电源为士4v。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。3. 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，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表。位移mm电压V根据表中所测数据计算灵敏度S，S=X/V，并在坐标图上做出VX 关系曲线。（二）半桥双臂和全桥在完成半桥单臂的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，依次将图(4)中电桥固定电阻R1、R2、R3换成箔式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。重复实半桥单臂中的3 一4 步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。在同一坐标上描出V一X曲线，比较三种桥路的灵敏度，并做出定性的结论五、实验报告要求每位学生根据所作实验数据如实书写实验报告，一人一份。六、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、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、由于进行位移测量时测微头要从零到正的最大值，又回复到零，再到负的最大值，因此容易造成零点偏移，因此计算灵敏度时可将正X的灵敏度与负的X的灵敏度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此种方法。9七、思考题1、再半桥单臂步骤（3）为什么要调整WD 电位器使系统输出为零？2、该实验使用的一种什么样的电桥？3、根据三种桥路的结果做出定性的结论。4、应变片接入电桥时为什么要接成差动形式?如果不接成差动形式会产生什么后果?实验二 差动变压器的标定一、实验目的说明差动变压器测试系统的组成和标定方法。二、实验所需部件差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微头。三、实验原理导磁外壳副边绕组骨架动铁芯副边绕组图21差动变压器电感传感器结构示意图主要由原方绕组、两个匝数相等的副边绕组、动铁芯、导磁外壳和骨架等六部分组成。 r2a图22差动变压器电感传感器等效电路图差动变压器式电感传感器在工作时两个副边绕组接成反向串联电路，在线圈的品质因数Q足够高的前提下(一般都能满足)，可忽略铁损、磁损及线圈分布电容的影响，其等效电路如图2-2所示。当原边绕组通以交流激励电压作用时，在变压器副边的两个线圈里就会感应出完全相等同的感应电势来。由于是反向串联，因此，这两个感应电势相互抵消，从而使传感器在平衡位置的输出为零。当动铁芯产生一位移时，由于磁阻的影响，两个副边绕组的磁通将发生一正一负的差动变化，导致其感应电势也发生相应的改变，失去平衡，使传感器有一对应于动铁芯位移的电压输出量。图23测量原理图四、实验步骤1、按图23接线，差动放大器增益适度，音频振荡器LV 端输出5KHZ，Vp-p 值V。2、调节电桥WD、WA 电位器，调节测微头带动衔铁改变其在线圈中的位置，是系统输出为零。3、旋动测微头是衔铁在线圈中上、下有一个较大的位移，用电压表和示波器观察系统输出是否正负对称。如不对称则须反复调节衔铁位置和电桥、移相器、做到正负输出对称。4、旋动测微头，带动衔铁向上5mm，向下5mm 位移，每旋一周（0.5mm）记录一电压值并填入表格。位移mm电压V五、实验报告要求每位学生根据所作实验数据如实书写实验报告，一人一份。六、 注意事项系统标定须调节电桥、移相器、衔铁三者位置，须反复调节才能做到系统输出为零并正负对称。七、思考题1、接成差动型有哪些优点？如不接成差动型会导致那些后果？2、差动变压器式传感器与可变磁阻式传感器各自的工作原理是什么？实验三 差动变压器的振动测量一、实验目的了解差动变压器的实际使用。二、实验所需部件差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器。三、实验原理同实验二原理四、 实验步骤1、按图（23）接好线调节好系统各部分。2、低频振荡器接入“激振”，使振动圆盘保持适当振幅。3、维持低频振荡器输出幅度不变，用示波器观察低通滤波器的输出，电压/频率表2KHZ挡接低频输出端，改变震荡频率从5HZ30HZ，读出Vop-p 值，填入下表：f(HZ)Vop-p、根据实验结果作出震动台的振幅频率特性曲线，指出自振频率。五、实验报告要求每位学生根据所作实验数据如实书写实验报告，一人一份。六、注意事项、仪器中两副悬臂梁的固有频率因尺寸不同而不同。2、 衔铁位置可松开支架上小螺丝稍做上、调节。七、思考题1、差动变压器测量振动时要注意哪些问题？2、差动变压器式传感器的特点？应用范围如何？实验四 差动螺管式电感传感器位移、振幅测量一、实验目的通过实验说明差动螺管式电感传感器的应用，用差动螺管式电感传感器可以进行较大动态范围的测试。二、实验所须部件差动变压器、音频振荡器、电桥、差动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器、电压表、示波器、测微头。三、实验原理利用差动变压器的两个次级线圈和衔铁组成。衔铁和线圈的相对位置变化引起螺管线圈电感值的变化。次级二个线圈必须成差动状态连接，当衔铁移动时将使一个线圈电感增加，而另一个线圈的电感减小。 图41信号检测原理图为了将电感的增量转换成电压或电流信号，需采用一定形式的测量电路。这种传感器的测量电路主要有以下几种：一种是较简单的变压器交流电桥，原理如图41所示，用变压器副绕组作平衡臂。O点为电位参考点，由电路分析可知电桥的输出为 （41）当传感器的动铁芯处于初始位置时，两线圈的电感相等阻抗也相等，由式(41)可知电桥输出电压为零，处于平衡状态。当铁芯向上或向下移动时，一个线圈的电感增加而另一个减小，且增量的大小相等，即：代入式(41)可得 （42）只要线圈的品质因数Q值足够高(一般均能满足这个条件)，就可略去线圈电阻的影响。因此，根据式(42)可得传感器的输出电压有效值为 （43）这种测量电路只能反映位移的大小，不能反映其方向。为克服这一缺点，可采用带相敏整流的交流电桥电路，如图42所示。图中的两个桥臂Z1、Z2为差动电感传感器的线圈，另两个为平衡阻抗Z3、Z4。初始状态下四个阻抗相等，电路输出为零；VDl到VD4四只二极管组成相敏整流器，在A、B两点之间输入交流激励信号；C、D两点间输出直流信号。显示仪表应采用零刻度在中点的电压表头或数字电压表。图42测量电路原理图其工作原理如下：位移为零时，电桥处于平衡状态，输出电压为零。当动铁芯向某一方向移动而产生一个位移量X时，差动线圈分别产生等量异性的电感量变化，引起电桥发生差动变化。其输出在正半周（如图43a）时为 （44） （a） (b)图43测量原理分析而在负半周时为 （45）由此可见，只要动铁芯向同一方向移动，无论在交流电源的正半周还是负半周，其输出电压方向相同。同理，当动铁芯反向移动时，输出电压方向也会反过来，故这种测量电路不仅能测量位移的大小，而且能够判别位移的方向。四、实验步骤：（一）位移测量：1. 差动变压器二个次级线圈组成差动状态，按图44接线，音频振荡器LV 端作为恒流源供电，差动放大器增益适度。差动变压器的两个线圈和电桥上的两个固定电阻R 组成电桥的四臂，电桥的作用是将电感变化转换成电桥电压输出。电桥的输出信号经差放后送相敏整流并同时进行移相处理，以获得一个能与位移的大小成正比且能反映位移的方向的直流电压，再经低通滤波后送到电压显示表显示。原理框图如图44所示，图中即WD和WA为电桥网络的调零电位器，通过调节这两个电位器可能使电桥在起始位置达到平衡。图44测量原理图2. 旋动测微头使衔铁在线圈中位置居中，此时Lo=LO,系统输出为零。3. 当衔铁上、下移动时，LoLO，电桥失衡就有输出，大小与衔铁位移量成比例，相位则与衔铁的移动方向有关，衔铁向上移动和向下移动时输出相位相差约180°，由于电桥输出是一个调幅波，因此必须经过相敏检波后才能判断电压极性，以衔铁位置居中位置为起点，分别向上，向下各位移5mm，记录V、X 值，作出VX 曲线，求出灵敏度。（二）振幅测量：1. 紧接上面步骤，移开测微头，微调衔铁在支架上的位置，调节电桥电路，使系统输出为零。2. 将低频振荡器输出接到“激振”上，给振动台加一交变力，使振动台能上下振动，用示波器观察系统输出波形是否对称，如不对称则需对电桥、移相器作些调整。3. 保持低频振荡器输出幅值不变，改变激振频率f，便可得到它的动态测试结果Vp-pf曲线如图45。图45 Vp-pf曲线图五、实验报告要求每位学生根据所作实验数据如实书写实验报告，一人一份。六、注意事项：振动台振动时的幅度可尽量大，但以与周围各部件不发生碰擦为宜，以免产生非正弦振动。七、思考题1、差动螺管式电感传感器测量振动时要注意哪些问题？2、差动螺管式电感传感器的特点？应用范围如何？实验五 PN 结温度传感器一、实验目的通过实验更好的理解PN结型温度传感器的理论知识，掌握这种传感器的性能特点和选用原则。掌握用PN结温度传感器组成温度系统的方法。二、实验所需部件p一N结温度传感器、温度变换器、加热器、电压表、半导体点温计(自备)三、实验原理众所周知半导体PN结具有非常良好的温度线性，其结电压是随温度而变化的，根据P一N结特性表达公式I=Is(eqv/RT-1)可知，当一个P一N结制成后，其反向饱和电流基本上只与温度有关，恒流情况下，温度每升高1，硅管的结电压下降约2 mV。根据这一原理制成的P一N结温度传感器，可以直接显示绝对温度K，并且具有良好的线性精度。PN结型温度传感器就是利用半导体PN结的这种温度特性制成的温度敏感元件。它有二极管型和三极管型两大类。这种传感器具有良好的线性度、结构小巧玲珑、热响应时间短(02s2s)及灵每高(约一2 mV。C)等许多优点；但它的测温范围较小(一50C+150C)且互换性较它的主要性能参数有测温范围、最大功耗、输出电压、灵敏度、线性度、总偏差和响应间等。PN结型温度传感器在电力电子电路中可以作为过热、过载等的保护，它还被广泛地应用于工业自动控制、高空和深海探测、卫星火箭和医疗卫生等行业的温度测量和温度控制中。四、实验步骤1、将P一N结温度传感器接入温度传感器端，V T端接电压表，开启电源，电压表2V档显示室温的绝对温度T，室温=T一273。与半导体点温计显示温度进行比较。2、 打开加热器，观察随温度上升电压表所示绝对温度变化，与放在加热器上的半导体点温计所显示的温度进行比较。五、实验报告要求每位学生根据所作实验数据如实书写实验报告，一人一份。六、注意事项3（1/2）位数字电压表必须2V档，V T端输出的小数点后三位数字即为绝对温度值。七、思考题试分析测量电路的误差来源？实验六 光纤位移传感器一一位移、转速测量一、 实验目的了解光纤传感器在生产实践中的应用情况，掌握用光纤传感器组成电机测量系统所需的电路模块和仪器仪表二、实验所需部件光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、示波器、电压表、支架、反射片、测微头、测速电机及转盘。三、 实验原理光纤传感器是依靠光在光纤中传导时受到被测对象的影响使光的强度、波长、相位或频率等参数发生改变，通过检测接收光的各个参数来对被测量进行检测或控制的一种传感器。 光纤的导光原理如图6-1所示，它由导光的芯体玻璃和包在外面的玻璃纤维组成，最外层是用塑料或橡胶做成的保护外套。因此，光纤具有一定的机械强度，且柔软可任意弯曲。纤芯由比头发还细的玻璃纤维、石英或塑料等透明度良好的介质构成，其折射率远远大于包层，使得理论上光在里面能产生全反射，实现光的完全传输，不存在一点损失。当然，实际上由于光在传输时有费涅耳反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗及弯曲损耗等。因此，光纤也是不可能百分之百地将入射光的能量传输到目的地的，所以当光纤传感器的光路很长时应考虑对其进行补偿。入射光 图61导光原理示意图通常按光纤在传感器中所起的作用不同，将光纤传感器分成功能型(或称为传感型)和非功能型(传光型、结构型)两大类。如图6-2(a)为功能型光纤传感器的原理示意图这种传感器使用单模光纤，它在传感器中不仅起传导光的作用，而且又是传感器的敏感元件。它的工作原理是利用光纤本身的传输特性受被测物理量作用发生变化，而使光纤中传导光的特性(如光强、相位、偏振态、波长)被调制这一特点。因此，这类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型四种。典型的功能型光纤传癌器有：利用光纤在高电场下的泡克耳效应制作的光纤电压传感器。这种传感器的特点是：由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度，可以提高传感器的灵敏度。尤其是利用种种干扰技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有超高灵敏度。但这类传感器在制造上技术难度较大，结构比较复杂，且调试困难。非功能型光纤传感器中，光纤本身只起传光作用，并不是传感器的敏感元件。它是利用在光纤端面或在两根光纤中间放置光学材料、机械式或光学式的敏感元件感受被测物理量的变化，使透射光或反射光强度随之发生变化。所以这种传感器也叫传输回路型光纤传感器，结构示意图如图6-2(b)，(c)所示。也有并不需要外加敏感元件的形式，如图62(d)所示，它的工作原理是：光纤把测量对象辐射的光信号或测量对象反射、散射的光信号直接传导到光电元件上，实现对被测物理量的检测。为了得到较大受光量和传输光的竣率，这种传感器所使用的光纤主要是孔径大的阶跃型多模光纤。该光纤传感器的特点是绐构简单、可靠，技术上容易实现，便于推广应用，但灵敏度较低，测量精度也不高。(a) 功能型 (b)非功能型敏感元件 (c)非功能型 (d)非功能型图62各种光纤传感器的结构原理示意图本次实验所用的光纤传感器属于反射光强调制型，它是通过改变反射面与光纤端面之间的距离来改变光纤输出光的强度。反射式光纤位移传感器的工作原理如图(8)所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到的位移量。当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化;光电变换器输出电量也发生相应的变化，经v/F电路变换，成方波频率信号输出。图63反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线四、实验步骤（一） 位移测量：1·观察光纤结构:本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。2将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片(即电涡流片)。3·振动台上装上测微头，开启电源