《传感器实验》没PPT课件.ppt
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1、第16章 传感器实验,16.1 实验须知 16.2 实验仪器简介 16.3 电阻应变式传感器实验 16.4 差动变压器式传感器实验 16.5 电涡流式传感器实验 16.6 电容式传感器实验 16.7 霍尔式传感器实验 16.8 光纤位移传感器实验 16.9 光电传感器实验,16.1 实验须知 16.1.1 实验的基本态度 进行任何科学实验,实验人员均应具备一种最基本的态度实事求是的态度。 我们这里所说的“实事求是”,就是说要把实验中所得到的现象、数据及其规律性忠实地记录下来,记录下来的是实际观测的情况,而不能以任何理由进行编造、修改或歪曲。 实验中直接观察到的现象和数字,也可能不够准确,或是错
2、误的,此时就需要反复多次测量,并加以核对,或通过数据处理,或改进实验方法来改善其准确性。 只有遵循“实事求是”的态度,才能从实验中获得知识,并提高科学实验的能力。,16.1.2 实验的基本知识 1.实验准备 (1)实验前必须认真预习实验内容,明确实验的目的和要求。 (2)根据实验的要求,拟定实验方案并熟悉实验线路及其原理。 (3)熟悉实验中所使用的仪器、设备的基本原理及使用方法。 (4)根据实验的具体任务及理论根据,研究实验的方法,并估计实验数据的变化规律。,2.实验组织 一般实验可能由几个人合作进行,因此实验时必须做好组织工作,实验方案的拟定应在组内讨论,实验时应明确分工,并且做到既分工又合
3、作,这样既能保证实验质量,又能使实验人员受到全面训练。,3.实验数据的记录 (1)事先拟好实验数据记录表格,在表格中应记下有关物理量的名称、符号和单位,并要保证数据完整。实验数据位数的取值是以实验仪器所能达到的精度为依据的,同一条件下至少读取两次数据(研究不稳定过程或动态过程的实验除外),而且只有当两次读数比较接近时,才能改变操作条件,在另一条件下进行观测。 (2)记录实验中使用的仪器、设备等的型号、规格及使用的条件等。,(3)凡影响实验效果或数据整理过程中必须的数据都需测取并记录。如天气条件、环境温度、湿度等。 (4)实验中的记录数据应以实际读数为准,但因客观条件的原因,如由于测量条件的意外
4、改变(如电源电压及环境温度的突然变化、机械冲击、外界振动等),数据出现不正常的情况或有粗大误差时,应在备注栏中加以说明。,4.实验过程的注意事项 (1)在进行实验线路的接线、改接线或拆线之前,必须断开电源,严禁带电操作,避免在接线或拆线过程中,造成电源设备或部分实验线路短路,进而损坏设备或实验线路中的元器件。 (2)密切注意整个实验系统的变化,应使整个操作过程均在规定条件下进行。 (3)实验过程中应观察现象,特别是发现不正常现象时更应抓紧时机进行处理,并分析、研究产生不正常现象的原因。,5.整理实验数据 (1)同一条件下测得一组数据时,应舍去含有粗大误差的数据,然后进行数据处理。 (2)整理数
5、据时应根据有效数字的运算法则,确定测量结果的数据位数。 (3)数据整理时可采用列表法、图解法,这视其具体情况而定,以尽可能准确描述实验结果或实验结论为最终目的。,6.实验报告的内容及要求 一份好的实验报告,必须写得简单、明了,数据完整,交待清楚,结论明确,有讨论,有分析,得出的公式或图线有明确的使用条件。实验报告的格式虽不必强求一致,但一般应包括下列各项: (1)实验题目,实验者及共同实验人员、班级、日期; (2)实验目的及要求;,(3)实验设备及环境条件; (4)实验的基本原理、实验线路、接线图或流程图; (5)实验内容及主要操作简述; (6)整理原始实验数据,作出便于处理和分析的表格、曲线
6、或波形; (7)根据实验数据,对传感器的原理、性能特性、技术指标、实验现象等进行分析,对实验中发现的问题进行讨论,提出新的设想及研究的方法。,16.2 实验仪器简介 16.2.1 ZCY型传感器实验仪简介 图161为ZCY型传感器实验仪的外形图。整个仪器由三部分组成,即激励源(电源和信号源)、试验台和处理电路单元,三部分之间没有内部连接。各个传感器实验可用专用连接线或迭插式导线将所需单元在面板上进行连接。在实验仪上可进行不同传感器的静态实验、动态实验和传感器系统应用实验。通过实验即可对各种不同传感器及其测量线路原理有一个从理性到感性的认识,对如何组成测量系统有一个直观而具体的实践过程。,图16
7、1 ZCY型传感器实验仪的外形,试验台上的各部分传感器如图161上部所示。双平行悬梁靠近固定端一侧的上、下表面分别贴有受力状态不同的应变片六片金属箔式应变片和两片半导体应变片。六片金属箔式应变片中四片为工作应变片,两片为补偿应变片。双平行悬梁自由端装有压电加速度传感器。振动平台上装有电涡流、霍尔、差动变压器、电容等传感器。振动平台中心下面装有激振线圈,振动控制信号通过激振线圈可以驱动双平行悬梁和振动平台,使之产生330Hz的低频振动。在振动平台中心可装螺旋测微器,通过调整螺旋测微器可以改变立式振动台的上下位置,同时也可以改变双平行悬梁的应力。,传感器的测量电路集中设置在一块印刷板上,用于处理各
8、种传感器的输出信号,有电桥、差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器、电涡流式传感器测量电路(涡流变换器)、电容式传感器测量电路(电容变换器)等单元。差动放大器、相敏检波器、移相器、低通滤波器等是公用的单元,用于各个传感器的信号处理。各单元测量电路各自独立,可以根据需要通过面板进行设置,组成不同的传感器系统。,斜侧面板是传感器的激励源(电源和信号源)和显示单元。电源和信号源由三部分组成:0.910kHz音频信号发生器输出作为交流激励信号、210V直流稳压电源、330Hz低频信号发生器输出作为振动平台的振动控制信号。显示单元采用数字式电压/频率(V/F)表,通过V/F功能开关进行电压表、频率表
9、的功能切换。,16.2.2 虚拟仪器简介 1.概述 传统的测量仪器主要由三个功能块组成:信号的采集与控制单元、信号的分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是以硬件或固化的软件形式存在,而仪器只能由生产厂家来定义、制造,因此,传统仪器设计复杂、灵活性差,没有摆脱独立使用、手动操作的模式,整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤,在一些较为复杂和测试参数较多的场合下,使用起来很不方便。,计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及,有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术,促使了一个新型的仪器概念虚拟仪器(VirtualInstrument,简称VI)的出现。虚拟仪器的实质是充
10、分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。虚拟仪器系统是由计算机、仪器硬件和应用软件三大要素构成的,计算机与仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台。,虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件资源有机地融为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,大大缩减了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能,使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所替代。因此,从某种意义上可以说:软件就是仪器。现在,计算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展,这给虚拟
11、仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。,虚拟仪器技术的优势在于可由用户自己设计专用仪器系统,且功能灵活,很容易构建,所以,应用面极为广泛,尤其在科研、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进,十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势,因而常被称做“软件仪器”。它功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的全部功能,配以专门探头和软件还可以检测特定系统的参数,如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据;它操作灵活,界面完全图形化,风格简约,符合传统设备的使用习惯;它集成方便,不但可以和高速数据采集设备构成自动测量
12、系统,而且还可以和控制设备构成自动控制系统。,虚拟测试仪器可以由用户自己设计、自己定义,以满足特定的功能需求。组建一套虚拟仪器系统,其设计方案有很多种,除了利用常见的DAQ插卡组成虚拟仪器测试系统外,还可以利用用户现有的仪器设备的特殊功能作为硬件功能模块,与计算机和控制软件一起组成虚拟仪器测试系统。,图162 通用虚拟测试仪器系统构成,2.关于LabVIEW 虚拟仪器是当前测控领域的技术热点,它代表了未来仪器技术的发展方向。而美国NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW是世界上最优秀的虚拟仪器软件开发平台,近几年在我国测试技术及教育领域得到了迅速推广。 LabVIEW是一种易学易用、功能强大的
13、图形化开发软件,非常适合从事科研、开发的科学工作者和工程技术人员。用LabVIEW编写程序的过程就是一个程序流程图的绘制过程。LabVIEW具有三个用来创建和运行程序的模板:工具(Tools)模板、控制(Controls)模板和函数(Functions)模板,开发环境包括三个部分:前面板、框图程序和图标/连接口。,16.3 电阻应变式传感器实验 16.3.1 实验目的 熟悉并掌握应变片的结构、工作状态及应用;掌握直流和交流应变电桥的组成和性能,比较单臂电桥、半桥差动电桥、全桥差动电桥的灵敏度和线性度;了解温度对电阻应变片测试系统的影响;了解电阻应变式传感器的基本应用,掌握电子秤的标定方法。,1
14、6.3.2 实验设备 实验设备为ZCY型综合传感器实验仪、10MHz超低频双踪示波器和万用表。在实验仪上用到的单元和部件有:直流稳压电源、音频信号发生器、低频信号发生器、差动放大器、电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波器、螺旋测微器和V/F表等。,16.3.3 实验原理 1.电阻应变式传感器静态性能实验原理 电阻应变式传感器静态性能实验的基本原理是调整螺旋测微器以改变双平行悬梁的应变,此时粘贴在悬梁上的应变片将应变转换成电阻值的变化,再通过转换电路(测量电桥)将电阻的变化转换成电压的变化,在数字电压表上显示出与应变对应的电压值,实验原理框图如图163所示。图164为电阻应变式传感器静态性能实验原
15、理电路图。测量电桥为直流电桥,R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻,可以接成单臂电桥、半桥差动电桥和全桥差动电桥的形式,RW1为电桥平衡调节电位器,UCC和USS为电桥电源。差动放大器为由集成运算放大器组成的增益可调的交直流差动放大器,可接成同相、反相及差动状态,增益在1100倍可调。输出由直流电压表显示。,图163 电阻应变式传感器静态性能实验原理框图,图164 电阻应变式传感器静态性能实验原理电路图,2.电阻应变式传感器动态性能实验原理 电阻应变式传感器动态性能实验主要是通过改变悬梁的振动频率,测量应变式传感器输出的幅频特性来实现的。图165为电阻应变式传感器动态性能实验原理框图。电阻应变
16、式传感器动态性能实验原理电路图如图166所示。,图165 电阻应变式传感器动态性能实验原理框图,3.温度补偿实验原理 应变片的环境温度变化将引起应变片的附加温度误差,电桥电路中的补偿应变片起温度补偿作用。电阻应变式传感器电桥温度补偿法实验原理图如图167所示。,图167 电阻应变式传感器电桥温度补偿法实验原理图,16.3.4 实验内容 1.电阻应变式传感器静态性能实验 电阻应变式传感器静态实验原理电路如图164所示。 测量前首先要对差动放大器调零,即将放大器输入端短接并接地,输出端接数字电压表,差动放大器增益逐渐调至最大,调节调零电位器RW2,使电压表显示为零,然后对电桥调平衡。所谓电桥调平衡
17、,是指悬梁处于水平位置时,使电桥的输出为零。电桥调平衡时,转动测微器将悬梁末端振动平台中间的磁铁与螺旋测微器相吸(完全可靠吸合),并使悬梁处于水平位置。此时再调节电位器RW1使测量电桥输出为零。 将桥臂电阻R1、R2、R3和R4接成单臂电桥、半桥差动电桥和全桥差动电桥三种情况,分别测量三种电桥在不同的应变(调整螺旋测微器可改变悬梁的应变)时的输出电压,并比较三种电桥的输出灵敏度和线性范围。,2.电阻应变式传感器动态性能实验 电阻应变式传感器动态性能实验电路如图166所示。将桥臂电阻接成全桥差动电桥的形式,对差动放大器调零,电桥调平衡。调节螺旋测微器使悬梁处于弯曲状态,调节移相器的移相电位器使电
18、压表读数为最大。然后将低通滤波器的输出连接到示波器直流输入端,卸掉测微器,悬梁处于水平位置,通过调节RW1和RW2使示波器读数为零。通过V/F功能开关切换到数字频率表位置,测量振动平台的振动控制信号的输出频率,然后改变悬梁的振动频率,记录对应频率下低通滤波器输出电压的峰峰值,绘制电阻应变式传感器实验系统的幅频特性曲线。,3.电阻应变式传感器电桥温度补偿法实验 电阻应变式传感器电桥温度补偿法实验原理图如图167所示。将桥臂电阻接成单臂电桥的形式,即R1为工作应变片,R2、R3和R4为固定电阻。先对差动放大器调零,然后对电桥调平衡。将工作应变片加热,观察电压表读数的变化。将R2用补偿应变片代替,重
19、复以上实验,并与不加补偿片的结果比较,分析其结果。,4.电阻应变式传感器的应用电子秤 电子秤实验电路如图164所示,桥臂电阻接成全桥差动电桥形式。卸掉螺旋测微器,对差动放大器调零,电桥调平衡。在振动台中心加上电子秤最大量程砝码,调节放大器增益,使电压表显示最大值;卸下全部砝码,再进行系统调零。反复进行调试直到系统零点、量程准确为止。对电子秤标定,根据在零点和满量程之间加的砝码和相应的输出电压关系作出UW曲线。卸下全部砝码,放上一未知重物,读出电压表的值,根据UW曲线推算出未知重物的重量。,16.3.5 思考题 单臂电桥、半桥差动电桥、全桥差动电桥的灵敏度与理论上求得的灵敏度是否相符,分析其产生
20、误差的可能原因。 为什么可以用Ux曲线的斜率代表各自测量电桥的灵敏度?应变片的灵敏度与电桥灵敏度之间是什么关系? 电子秤为何要首先对其标定,求出灵敏度,然后再测未知重物的重量? 交流全桥系统是否也可作为电子秤使用?若能,试画出其原理图,并说明其实验方法。,16.3.6 实验报告要求 实验报告应包含下列几项内容: 实验目的、实验内容、实验原理图及主要方法步骤。 结果分析。分别求出直流激励和交流激励下的三种测量电桥的灵敏度,并进行比较,得出结论,分析产生误差的原因;求出平行悬梁的自振(共振)频率;在直流电桥的应用中,计算电子秤的灵敏度及未知重物的重量。 实验中遇到的问题及解决办法。,16.4 差动
21、变压器式传感器实验 16.4.1 实验目的 掌握差动变压器式传感器的结构、工作原理及其特性;掌握差动变压器式传感器的静态和动态性能及测试方法;了解差动变压器式传感器零点残余电压的测试及其补偿法;了解差动变压器式传感器的基本应用。,16.4.2 实验设备 实验设备为ZCY型综合传感器实验仪、10MHz超低频双踪示波器和万用表。在实验仪上用到的单元和部件有:差动变压器、音频信号发生器、低频信号发生器、差动放大器、电桥、移相器、相敏检波器、低通滤波器、螺旋测微器和V/F表等。,16.4.3 实验原理 差动变压器式传感器的结构形式是螺线管式,它由外部罩有有机玻璃的三个线圈(即一个初级线圈和两个反向串联
22、的次级线圈)和插入线圈中央的软磁铁氧体磁棒(即铁芯)组成,线圈固定在仪器基座上,铁芯与振动平台上固定支架的末端相连。初级线圈的电源由0.910kHz音频信号发生器提供,次级线圈差动输出给差动放大器。当振动平台上下移动时,带动铁芯上下移动,改变初级线圈与两个次级线圈的互感系数,从而使次级线圈的差动输出电压发生变化。,1.差动变压器式传感器的静态性能实验原理 差动变压器式传感器的静态实验原理框图如图168所示,图169为静态实验原理电路图。调整螺旋测微器带动振动平台移动,从而改变差动变压器铁芯在线圈中的上下位置,由示波器观察铁芯在不同位置时差动变压器次级线圈差动输出电压波形的形状和相位。,图168
23、 差动变压器式传感器静态实验原理框图,图169 差动变压器式传感器静态实验原理电路图,2.差动变压器式传感器的动态性能实验原理 差动变压器式传感器的动态性能实验原理框图如图1610所示,图1611为差动变压器式传感器动态实验的原理电路图。差动变压器式传感器存在一个激励信号频率f0,它可使差动变压器式传感器的灵敏度最大,此时差动变压器式传感器输出电压相位与激励电压相位基本一致;当差动变压器式传感器的激励信号频率太低或太高时,差动变压器的灵敏度都显著降低。,图1610 差动变压器式传感器动态性能实验原理框图,图1611 差动变压器式传感器动态性能实验原理电路图,16.4.4 实验内容 1.差动变压
24、器式传感器零点残余电压的补偿 差动变压器式传感器零点残余电压的补偿实验原理电路如图169所示。对差动放大器调零。分别断开电阻r与差动放大器反向端以及电容C与差动放大器同向端的连接,调节螺旋测微器,使差动放大器输出为最小,此时输出的最小电压为差动变压器式传感器的零点残余电压,用示波器测量差动变压器式传感器的零点残余电压(适当提高示波器输入通道的电压灵敏度)。将电阻r与差动放大器的反向端连接,电容C与差动放大器同向端连接,将输入通道的灵敏度进一步提高,调节电位器RW1和RW2,使差动放大器输出为最小,从而对差动变压器式传感器的零点残余电压进行了补偿。比较经补偿后的零点残余电压与激励电压的波形、相位
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