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1、第 11章 傳感器實驗指導 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀 實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、全橋 功能比較 實驗二 差動變壓器的特性及應用 實驗三 差動螺線管電感式傳感器的特性 實驗四 差動變面積式電容傳感器的特性 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及應用 實驗六 磁電式傳感器的特性 實驗七 霍爾式傳感器的特性 實驗八 熱敏電阻的測溫特性 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應用 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀 【 實驗儀簡介 】 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀是由浙江大學杭州高聯(lián)傳感技 術有限公司研制生產的一種專門用于傳感器與自動檢測技術 課程實驗教學的儀器，該實驗儀如 圖 11-1所示。它主要
2、由各 類傳感器 (包括應變式、壓電式、磁電式、電容式、霍爾式、 熱電偶、熱敏電阻、差動變壓器、渦流式、光纖傳感器等 )、 測量電路 (包括電橋、差動放大器、電容放大器、電壓放大器、 電荷放大器、渦流變換器、移相器、相敏檢波器、低通濾波 器等 )及其接口插孔等組成。該系統(tǒng)還提供了直流穩(wěn)壓電源、 音頻振蕩器、低頻振蕩器、 F/V表、電機控制器等。 下一頁 返回 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗儀 【 使用注意事項 】 1. 應在確保接線無誤后才能開啟電源。 2. 迭插式插頭應避免拉扯，以防插頭折斷。 3. 對從電源、振蕩器引出的線要特別注意，不要接觸機殼造 成短路，也不能將這些引線到處亂插，否則，很
3、可能引起儀 器損壞。 4. 用激振器時不要將低頻振蕩器的激勵信號開得太大，以免 梁的振幅過大而損壞。 5. 音頻振蕩器接低阻負載 (小于 100)時，應從 LV口輸出，不 能從另兩個電壓輸出插口輸出。 上一頁 返回 實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、 全橋功能比較 【 實驗性質 】 驗證性實驗 【 實驗目的 】 1. 觀察了解金屬應用片的結構和粘貼方式。 2. 測試懸臂梁變形的應變輸出。 3. 驗證單臂、半橋、全橋測量電橋的輸出關系，比較不同橋 路的功能。 【 實驗設備 】 直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、應變式傳感器 (電阻應變 片 )、電壓表。 【 實驗原理 】 應變片是一種能將試件上的應變
4、變化轉換成電阻變化的傳感 元件。 下一頁 返回 實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、 全橋功能比較 使用應變片時，將其貼于測試件表面上。當測試件受力變形 時，應變片也隨之產生形變，相應的電阻值將發(fā)生變化，通 過測量電路最終將其轉換為電壓或電流的變化，測出應變片 的靈敏度。 電橋是將被測非電量轉換成電壓或電流的一種常用的方法。 【 實驗步驟 】 1. 設定旋鈕的初始位置：直流穩(wěn)壓電源打到 2V擋，電壓表 打到 2V擋，差動放大器增益打到最大。 2. 將差動放大器調零。方法：用實驗線將差放的正負輸入端 與地端連接在一起，增益設置在最大位置，然后將輸出端接 到電壓表的輸入插口，打開主、副電源，調整差放的
5、調零旋 鈕使表頭指示為 0。 3. 根據(jù) 圖 11-2的電路結構，利用電橋單元上的接線插孔和調 零網(wǎng)絡連接好測量線路 (差動放大器接成同相或反相均可 )。 圖中 R4為工作應變片， R1、 R2和 R3為普通電阻， W1為可調電 位器， r為調平衡電阻。電源由直流穩(wěn)壓電源提供。 上一頁 下一頁 返回 實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、 全橋功能比較 4. 將直流穩(wěn)壓電源打到 4V擋。選擇適當?shù)姆糯笤鲆?，然?調整電橋平衡電位器，使表頭指零需預熱幾分鐘表頭才能穩(wěn) 定下來。 5. 加上砝碼，每加一個讀數(shù)，將測得數(shù)值填入 表 11-1。 6. 保持放大器增益不變，將 R3換為與 R4工作狀態(tài)相反的另一
6、 應變片，形成半橋，調整電橋平衡電位器，使表頭指零。然 后依次加上砝碼，同樣測出讀數(shù)，填入 表 11-2。 7. 保持差動放大器增益不變，將 R1、 R2兩個電阻換成另兩片 工作片，接成一個直流全橋，通過電橋平衡電位器調好零點。 依次加上砝碼，將讀出數(shù)據(jù)填入 表 11-3。 8. 在同一坐標紙上描出 W-V曲線，比較三種接法的靈敏度 S。 上一頁 下一頁 返回 實驗一 金屬應變片：單臂、半橋、 全橋功能比較 【 問題 】 1. 根據(jù)實際測試的數(shù)據(jù)與理論上推導的公式相比較，結論如 何？ 2. 對橋路測量線路有何特別的要求？為什么？ 【 注意事項 】 1. 在更換應變片時應將電源關閉，以免損壞應變
7、片。 2. 在實驗過程中如果發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應將量程擴大或 將差放增益減小。 3. 直流穩(wěn)壓電源不能打的過大，以免損壞應變片或造成嚴重 自燃效應。 4. 接全橋時請注意區(qū)別各應變片的工作狀態(tài)方向，保證 R1與 R3工作狀態(tài)相同， R2與 R4工作狀態(tài)相同。 5. 在本實驗中只能將放大器接成差動形式，否則系統(tǒng)不能正 常工作。 上一頁 返回 實驗二 差動變壓器的特性及應用 【 實驗性質 】 綜合性實驗 【 實驗目的 】 1. 了解差動變壓器的原理及工作情況。 2. 了解如何用適當?shù)木W(wǎng)絡線路對殘余電壓進行補償。 3. 了解差動變壓器的實際應用。 【 實驗儀器 】 音頻振蕩器、測微頭、雙線示波器、
8、電橋、差動變壓器、差 動放大器、移相器、相敏檢波器、低通濾波器、電壓表、低 頻振蕩器、激振器。 【 實驗步驟 】 (一 ) 差動變壓器性能檢測 1. 設定有關旋鈕初始位置：音頻振蕩器 4kHz，雙線示波器第 一通道靈敏度 500mV/cm，第二通道靈敏度 20mV/cm，觸發(fā) 選擇打到第一通道。 下一頁 返回 實驗二 差動變壓器的特性及應用 2. 按 圖 11-3接線，音頻振蕩器必須從 LV接出。 3. 調整音頻振蕩器幅度旋鈕，使音頻 LV信號輸入到初級線圈 的電壓為 2Vp-p。 4. 旋動測微頭，從示波器上讀出次級輸出電壓 Vp-p值填入 表 11-4。 讀出過程中應注意初、次級波形的相位
9、關系：當鐵芯從上至 下時，相位由 ________相變?yōu)?________相。 5. 仔細調節(jié)測微頭使次級的差動輸出電壓為最小，必要時應 將通道二的靈敏度打到較高擋，如 0.2V/cm，這個最小電壓叫 做 ，可以看出它與輸入電壓的相 位差約為 __________，因此是 __________正交分量。 6. 根據(jù)所得結果，畫出 (Vp-p-X)曲線，指出線性工作范圍，求 出靈敏度 【 注意事項 】 (1) 差動變壓器的激勵源必須從音頻振蕩器的電流輸出口 (LV 插口 )輸出。 上一頁 下一頁 返回 實驗二 差動變壓器的特性及應用 (2) 差動變壓器的兩個次級線圈必須接成差動形式，即同名端 相
10、連，這可通過信號相位有否變化判別之。 (3) 差動變壓器與示波器的連線應盡量短一些，以免引入干擾。 (二 ) 差動變壓器零點殘余電壓的補償 1. 設定有關旋鈕的初始位置：音頻振蕩器 4kHz，雙線示波器 第一通道靈敏度 500mV/cm，第二通道靈敏度 1V/cm，觸發(fā)選 擇打到第一通道，差動放大器的增益旋到最大。 2. 觀察差動變壓器的結構。按 圖 11-4接線，音頻振蕩必須從 LV插口輸出， W1、 W2、 r、 c為電橋單元中調平衡網(wǎng)絡。 3. 利用示波器，觀察示波器第一通道的讀數(shù)，調整音頻振蕩 器的幅度旋鈕，使其輸出為 2Xp-p值。 4. 調整測微頭，觀察示波器第二通道的讀數(shù)，使差動
11、放大器 輸出電壓最小。 上一頁 下一頁 返回 實驗二 差動變壓器的特性及應用 5. 依次調整 W1和 W2，使輸出電壓進一步減小，必要時重新調 節(jié)測微頭。 6. 將第二通道的靈敏度提高，觀察零點殘余電壓的波形，注 意與激勵電壓波形相比較。 經(jīng)過補償后的殘余電壓波形為 ________波形，這說明波形中 有 _________分量。 【 注意事項 】 1. 由于該補償線路要求差動變壓器的輸出必須懸浮。因此 ,次 級輸出波形難以用一般示波器來看，要用差動放大器使雙端 轉換為單端輸出。 2. 音頻信號必須從 LV插口引出。 3. 本實驗也可用 圖 11-5所示線路，試解釋原因。 (三 )差動變壓器在
12、振動測量中的應用 1. 設定有關旋鈕的初始位置：音頻振蕩器 4kHz，差動放大器 增益適中。 2. 按 圖 11-6接線，并調整好有關部分。 上一頁 下一頁 返回 實驗二 差動變壓器的特性及應用 3. 利用示波器，使音頻振蕩器的輸出為 1.5Vp-p。 4. 將激振器接通，適當旋動幅度旋鈕。 5. 保持低頻振蕩器的幅度不變，改變低頻振蕩器的頻率，用 示波器觀察低通濾波器的輸出，讀出峰 -峰電壓值，記下實驗 數(shù)據(jù)，填入 表 11-5。 6. 根據(jù)實驗結果作出梁的振幅 -頻率特征曲線，指出自振頻率 的大致值，并與用應變片測出的結果相比較。 【 注意事項 】 適當選擇低頻激振電壓，以免梁在自振頻率附
13、近振幅過大。 【 問題 】 如果用直流電壓表來讀數(shù)，需增加哪些測量單元？測量線路 該如何？ 上一頁 返回 實驗三 差動螺線管電感式傳感器的 特性 【 實驗性質 】 設計性實驗 【 實驗目的 】 通過該實驗進一步掌握差動式測量電路的使用方法和螺線管 電感式傳感器的特性。 【 實驗要求 】 1. 參考差動變壓器的實驗原理，設計一個差動螺線管電感式 傳感器的測量線路，并進行位移測量。 2. 寫出實驗原理、實驗步驟，對實驗結果進行列表、分析、 計算，畫出其 V-X曲線。 3. 從理論和實際測試系統(tǒng)兩個方面找出產生誤差的原因。 4. 在進行具體實驗操作前先擬定實驗方案，經(jīng)實驗指導教師 審核通過后方能進入
14、實驗室操作。 【 實驗設備 】 音頻振蕩器、電橋、差動放大器、移相器、相敏檢波器、低 頻濾波器、電壓表、測微頭、示波器。 返回 實驗四 差動變面積式電容傳感器的 特性 【 實驗性質 】 驗證性實驗 【 實驗目的 】 了解差動變面積式電容傳感器的原理及特性。 【 實驗設備 】 電容傳感器、差動放大器、低通濾波器、 V/F表、激振器、 示波器。 【 實驗步驟 】 1. 差動放大器調零，按 圖 11-7接線。 2. 差動放大器增益旋鈕置中間， V/F表打到 2V擋，調節(jié)測微 頭，使輸出為零。 下一頁 返回 實驗四 差動變面積式電容傳感器的 特性 3. 旋動測微頭，每次 0.5mm，記下此時測微頭的讀
15、數(shù)及電壓 表的讀數(shù)，直至電容動片與上或下靜片覆蓋面積最大為止， 見 表 11-6。 退回測微頭至初始位置。并開始以相反方向旋動。同上法， 記下 X(mm)及 V(mV)值，見 表 11-7。 4. 計算系統(tǒng)靈敏度 并作出 V-X曲線。 5. 移開測微頭，斷開電壓表，接通激振器，使振動臺振動用 示波器觀察輸出波形。 VS X 上一頁 返回 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及 應用 【 實驗性質 】 驗證性實驗 【 實驗目的 】 了解壓電加速度傳感器的原理、結構及應用。 【 實驗設備 】 低頻振蕩器、電壓放大器、低通濾波器、渦流傳感器、渦流 變換器、單芯屏蔽線、加速度計、雙線示波器。 【 實驗步驟
16、】 1. 觀察裝于雙平行梁上的壓電加速度計的結構，它主要由壓 電陶瓷片及慣性質量塊組成。 2. 將壓電加速度計的輸出屏蔽線引到電壓放大器的輸入端， 然后將電壓放大器輸出接到低通濾波器的輸入端。 下一頁 返回 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及 應用 3. 接通激振器。 4. 開啟電源，適當調節(jié)低頻振蕩器的幅度，不宜過大。 5. 用示波器的兩個通道同時觀察電壓放大器與低通濾波器的 輸出波形。 6. 改變頻率，觀察輸出波形的變化。 7. 用手輕擊實驗臺，觀察輸出波形的變化?？梢娗脫魰r輸出 波形會產生“毛刺”，試解釋原因。 8. 關閉電源，按 圖 11-8安裝好電渦流傳感器，將原接于電壓 放大器輸出端
17、的示波器通道接到渦流變換器的輸出端。將低 頻振蕩器的頻率打到 5-20Hz范圍內。 9. 開啟電源，同時觀察壓電加速度計的輸出和渦流傳感器的 輸出，注意他們的相位關系。可見兩者相位差約 為 ，為什么？ 上一頁 下一頁 返回 實驗五 壓電加速度傳感器的特性及 應用 【 注意事項 】 1. 雙平行梁振動時應無碰撞現(xiàn)象，否則將嚴重影響輸出波形。 必要時可松開梁的固定端，小心調整一個位置。 2. 低頻振蕩器的幅度應適當，避免失真。 3. 屏蔽線的屏蔽層應接地。 4. 由于壓電式傳感器制作困難，動態(tài)范圍可能與電渦流式傳 感器不統(tǒng)一，可由其它傳感器如電容式傳感器來觀察相位差。 電容式傳感器的輸出波形不經(jīng)過
18、低通雖然不太光滑，但不影 響觀察效果。 【 問題 】 為什么電壓放大器與壓電加速度計的接線必須用屏蔽線？否 則會產生什么問題？ 上一頁 返回 實驗六 磁電式傳感器的特性 【 實驗性質 】 驗證性實驗 【 實驗目的 】 了解磁電式傳感器的原理及性能。 【 實驗設備 】 磁電式傳感器、電渦流傳感器差動放大器、渦流變換器、激 振器、示波器。 【 實驗步驟 】 1. 觀察磁電式傳感器的結構。 2. 將磁電式傳感器的輸出端接到差動放大器的兩輸入端，適 當旋轉增益旋鈕。接通激振器，觀察差動放大器的輸出波形。 下一頁 返回 實驗六 磁電式傳感器的特性 3. 安裝調整好電渦流傳感器，接好變換電路，用示波器同時
19、 觀察磁電式和電渦流傳感器的輸出波形，注意其相位差。 4. 拆除所有接線，將 3 30Hz的低頻信號引入磁電式傳感器， 觀察梁的變化。 【 注意事項 】 差動放大器增益不要打得太大，以免超出其放大線性范圍。 上一頁 返回 實驗七 霍爾式傳感器的特性 【 實驗性質 】 驗證性實驗 【 實驗目的 】 了解霍爾式傳感器的原理及特性。 【 實驗設備 】 直流穩(wěn)壓電源霍爾傳感器、磁路系統(tǒng)、電橋、差動放大器、 電壓表、直流穩(wěn)壓表、測微頭。 【 實驗步驟 】 1. 設定旋鈕初始位置：差動放大器增益旋鈕打到最小，電壓 表置 2V擋，直流穩(wěn)壓電源置 2V擋 (注意：激勵電壓必須 2V， 否則霍爾片易損壞！ )。
20、 2. 開啟電源，按實驗一的方法對差動放大器調零。 3. W1、 r為直流平衡網(wǎng)絡中的電橋單元，如 圖 11-9所示。接好 線路，差動增益適中。 下一頁 返回 實驗七 霍爾式傳感器的特性 4. 裝好測微頭。即將測微頭與振動臺面連在一起。 5. 調整 W1使電壓表指示為零。 6. 上下旋動測微頭，記下電壓表的讀數(shù)，建議每 0.2mm讀一 個數(shù)，從 15.00mm到 5.00mm左右為止。將讀數(shù)填入 表 11-8. 7. 作出 V-X曲線指出線性范圍，求出靈敏度。 可見，本實驗測出的實際上是磁場的分布情況，它的線性越 好，位移測量的線性度也越好，它們的變化越快，位移測量 的靈敏度也就越大。 【 注
21、意事項 】 1. 由于磁路系統(tǒng)的氣隙較大，應使霍爾片盡量靠近極靴，以 提高靈敏度。 2. 一旦調整好后，測量過程中不能移動磁路系統(tǒng)。 3. 激勵電壓不能增大，以免損壞霍爾片。 上一頁 返回 實驗八 熱敏電阻的測溫特性 【 實驗性質 】 設計性實驗 【 實驗目的 】 了解 NTC熱敏電阻的溫度效應。 【 實驗要求 】 1. 根據(jù)理論課學習的內容，了解 NTC熱敏電阻的測溫原理， 設計一個測量 NTC型熱敏電阻溫度特性的實驗方案。 2. 寫出實驗原理、實驗步驟，畫出實驗電路圖。 3. 對實驗結果進行列表統(tǒng)計、分析、計算，畫出其溫度 -電壓 曲線。 4. 根據(jù)實驗結果推出 NTC型熱敏電阻的溫度特性
22、結論。 5. 在進行具體實驗操作前先擬定實驗方案，經(jīng)實驗指導教師 審核通過后方能進入實驗室操作。 【 實驗設備 】 加熱器、熱敏電阻、直流穩(wěn)壓電源、電壓表等。 返回 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應 用 【 實驗性質 】 驗證性實驗 【 實驗目的 】 1. 了解光纖位移傳感器的原理、結構及性能。 2. 了解光纖位移傳感器的測速應用。 【 實驗設備 】 差動放大器、電壓表、光纖傳感器、電阻、 F/V表、電機、 直流穩(wěn)壓電源。 【 實驗步驟 】 (一 )光纖位移傳感器特性 1. 觀察光纖位移傳感器的結構，它由兩束光纖混合后，組成 Y形光纖，探頭截面為半圓分布。 2. 調整振動臺面上反射片與光纖探頭
23、間的相對位置，電壓表 置 2V擋。 下一頁 返回 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應 用 3. 按 圖 11-10所示接線。光 /電轉換器內部已接好，可將輸出 電信號直接經(jīng)差動放大器放大。 4. 調節(jié)測微頭千分卡，使光纖探頭與振動臺面接觸，將差動 放大器增益置中，調節(jié)差動放大器調零旋鈕使電壓表指示為 零。 5. 調節(jié)測微頭千分卡，或用手輕壓振動臺使臺面脫離開探頭， 觀察電壓讀數(shù)小 -大 -小的變化。將調節(jié)測微頭到電壓輸出最 大的位置，調節(jié)差動放大器增益將最大值控制在 1V左右，必 要時反復調整零位。 6. 調節(jié)測微頭，每隔 0.1mm讀出電壓表的讀數(shù)，并將其填入 表 11-9。 7. 作出 V-
24、X曲線，計算靈敏度及線性范圍。 上一頁 下一頁 返回 實驗九 光纖位移傳感器的特性及應 用 (二 )光纖位移傳感器測速應用 1. 將光纖探頭移至電機 (風扇 )上方并對準電機 (風扇 )上的反光 片，調整好光纖探頭與反光片間的距離 (電壓表最大輸出值 處 )。 2. 按 圖 11-11接線，打開電源。 3. 將直流穩(wěn)壓電源置 10V擋，在電機控制單元接入 +10V電 壓，調節(jié)轉速旋鈕使電機轉動。 4. 將 F/V表置 2k擋，用示波器觀察 F/V表。輸出端的轉速脈沖 信號 (Vp-p約為 5V)。 5. 根據(jù)脈沖信號的頻率及電機上反光片的數(shù)目換算出此時的 電機轉速。 【 注意事項 】 如果示波
25、器上觀察不到脈沖波形而特性實驗正常，請調整探 頭與電機間的距離，同時檢查示波器的輸入衰減開關位置是 否合適。 上一頁 返回 圖 11-1 CSY-998型傳感器系統(tǒng)實驗 儀 返回 圖 11-2 實驗一 返回 表 11-1 測得值 重量 W/g 電壓 V/mV 返回 表 11-2 測得值 重量 W/g 電壓 V/mV 返回 表 11-3 測得值 重量 W/g 電壓 V/mV 返回 圖 11-3 實驗二圖 1 返回 表 11-4 實驗取得值 位移 /mm 電壓 /mV 返回 圖 11-4 實驗二圖 2 返回 圖 11-5 實驗二圖 3 返回 圖 11-6 實驗二圖 4 返回 表 11-5 實驗數(shù)據(jù)
26、 F/Hz 3 4 5 6 7 8 10 12 20 30 Vp-p/V 返回 圖 11-7 實驗四圖 返回 表 11-6 實驗數(shù)據(jù) X/mm V/mV 返回 表 11-7 實驗數(shù)據(jù) X/mm V/mV 返回 圖 11-8 實驗五圖 返回 圖 11-9 實驗七圖 返回 表 11-8 實驗數(shù)據(jù) X/mm V/V X/mm V/V 返回 圖 11-10 實驗九圖 1 返回 表 11-9 實驗數(shù)據(jù) X/mm 0.1 0.2 1.5 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 指示電 壓 /V X/mm 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 10.0 指示 /V 返回 圖 11-11 實驗九圖 2 返回
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