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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(shù)有限公司研制生產(chǎn)的一種專門用于傳感器與自動檢測技術(shù)課程實驗教學的儀器，該實驗儀如圖11-1所示。它主要由各類傳感器(包括應變
2、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，很可能引起儀器損壞。 4. 用激振器時不要將低頻振蕩器的
3、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(zhì)】驗證性實驗【實驗目的】 1. 觀察了解金屬應用片的結(jié)構(gòu)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(guān)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?！緦嶒炘怼繎兤且环N能將試件上的應變變化轉(zhuǎn)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
4、測試件表面上。當測試件受力變形時，應變片也隨之產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電壓或電流的一種常用的方法?！緦嶒灢襟E】 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(diào)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(diào)整差放的調(diào)零旋鈕使表頭指示為0。 3. 根據(jù)圖11-2的電路結(jié)構(gòu)，利用電橋單元上的接線插孔和調(diào)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
5、中R4為工作應變片，R1、R2和R3為普通電阻，W1為可調(diào)電位器，r為調(diào)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?，然后調(diào)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)相反的另一應變片，形成半橋，調(diào)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
6、平衡電位器調(diào)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(jié)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(guān)閉，以免損壞應變片。 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?qū)⒉罘旁鲆鏈p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
7、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(zhì)】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?！緦嶒瀮x器】音頻振蕩器、測微頭、雙線示波器、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(guān)旋鈕初始位置：音頻振蕩器4kH z，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
8、。 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(diào)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、次級波形的相位關(guān)系：當鐵芯從上至下時，相位由_相變?yōu)開相。 5. 仔細調(diào)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(jié)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】 (
9、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(guān)旋鈕的初始位置：音頻振蕩器4kH z，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(jié)構(gòu)。按圖11-4接線，音頻振蕩必須從LV插口輸出，W 1、W2、r、c為電橋單元中調(diào)平
10、衡網(wǎng)絡。 3. 利用示波器，觀察示波器第一通道的讀數(shù)，調(diào)整音頻振蕩器的幅度旋鈕，使其輸出為2Xp-p值。 4. 調(diào)整測微頭，觀察示波器第二通道的讀數(shù)，使差動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(diào)整W1和W2，使輸出電壓進一步減小，必要時重新調(diào)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?！咀⒁馐马棥?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(zhuǎn)換為單端輸出。 2. 音頻信號必須從L
11、V插口引出。 3. 本實驗也可用圖11-5所示線路，試解釋原因。 (三)差動變壓器在振動測量中的應用 1. 設定有關(guān)旋鈕的初始位置：音頻振蕩器4kH z，差動放大器增益適中。 2. 按圖11-6接線，并調(diào)整好有關(guān)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(jié)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(jié)果相比較?！?/p>
12、注意事項】 適當選擇低頻激振電壓，以免梁在自振頻率附近振幅過大?！締栴}】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(zhì)】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?！緦嶒炓蟆?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(jié)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(chǎn)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
13、方能進入實驗室操作?！緦嶒炘O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(zhì)】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?！緦嶒炘O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(diào)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(diào)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
14、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(zhì)】驗證性實驗【實驗目的】了解壓電加速度傳感器的原理、結(jié)構(gòu)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】 1. 觀察裝于雙平行梁上的壓電加速度計的結(jié)構(gòu)，它主要由壓電陶瓷片及慣性質(zhì)量塊組成。 2. 將壓電加速度計
15、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(diào)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(chǎn)生“毛刺”，試解釋原因。 8. 關(guān)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5-20H z范圍內(nèi)。 9. 開啟電源，同時觀察壓電加速度計的輸出和
16、渦流傳感器的輸出，注意他們的相位關(guān)系?？梢妰烧呦辔徊罴s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(diào)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(chǎn)生什么問題？ 上一頁返回 實驗六 磁電式傳感器的
17、特性 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗目的】了解磁電式傳感器的原理及性能?！緦嶒炘O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?！緦嶒灢襟E】 1. 觀察磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)。 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(zhuǎn)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(diào)整好電渦流傳感器，接好變換電路，用示波器同時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330H z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
18、返回 實驗七 霍爾式傳感器的特性 【實驗性質(zhì)】驗證性實驗【實驗目的】了解霍爾式傳感器的原理及特性?！緦嶒炘O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！)。 2. 開啟電源，按實驗一的方法對差動放大器調(diào)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(diào)整W1使電壓表指示為零。
19、 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?！咀⒁馐马棥?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(diào)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(zhì)】設計性實驗【實驗目的】了解NTC熱敏電阻的溫度效應?！緦嶒炓蟆?1.
20、根據(jù)理論課學習的內(nèi)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(jié)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(jié)果推出NTC型熱敏電阻的溫度特性結(jié)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(zhì)】驗證性實驗【實驗目的】 1. 了解光纖位移傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及性能。 2. 了解光纖位移傳感器的測速應用?！緦嶒炘O備】差動放大器、電
21、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(jié)構(gòu)，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(diào)整振動臺面上反射片與光纖探頭間的相對位置，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(zhuǎn)換器內(nèi)部已接好，可將輸出電信號直接經(jīng)差動放大器放大。 4. 調(diào)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(diào)節(jié)差動放大器調(diào)零旋鈕使電壓表指示為零。 5. 調(diào)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(diào)節(jié)測
22、微頭到電壓輸出最大的位置，調(diào)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(diào)整零位。 6. 調(diào)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-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(diào)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕使電機轉(zhuǎn)動。 4. 將F/V表置2k擋，用示波器觀察F/V表。輸出端的
23、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速?！咀⒁馐马棥咳绻静ㄆ魃嫌^察不到脈沖波形而特性實驗正常，請調(diào)整探頭與電機間的距離，同時檢查示波器的輸入衰減開關(guān)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
24、3 返回 圖11-6 實驗二圖4 返回 表11-5 實驗數(shù)據(jù) F/H z 3 4 5 6 7 8 1 01 22 03 0V p-p/V返回 圖11-7 實驗四圖 返回 表11-6 實驗數(shù)據(jù) X/ mmV/ mV 返回 表11-7 實驗數(shù)據(jù) X/mmV/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/mmV/VX/mmV/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/VX/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
傳感器技術(shù)及應用第十一章傳感器實驗指導
