[工学]自动检测技术与装置实验指导书.doc
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1、 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
2、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
3、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
4、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04V/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
5、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
6、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,
7、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
8、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
9、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
10、,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
11、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
12、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,
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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,
19、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
20、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,R
21、RR;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。
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