2016.9.26傳感與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、.傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)編寫(xiě) 彭建輝中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院二O一六年九月目 錄 第一章 傳感器實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明11.1 傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的組成11.2 傳感器21.3 數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件31.4 控制器簡(jiǎn)介51.5 溫度源及溫度控制原理簡(jiǎn)介11第二章 傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)13實(shí)驗(yàn)一 應(yīng)變片單臂特性實(shí)驗(yàn)13實(shí)驗(yàn)二 應(yīng)變片半橋特性實(shí)驗(yàn)18實(shí)驗(yàn)三 應(yīng)變片全橋特性實(shí)驗(yàn)19實(shí)驗(yàn)四 應(yīng)變片單臂、半橋、全橋特性比較20實(shí)驗(yàn)五 電感式傳感器的性能實(shí)驗(yàn)21實(shí)驗(yàn)六 電感式傳感器零點(diǎn)殘余電壓補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)24實(shí)驗(yàn)七 電渦流傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)25實(shí)驗(yàn)八 被測(cè)體材質(zhì)對(duì)電渦流傳感器特性影響28實(shí)驗(yàn)九 被測(cè)體面積大小對(duì)電

2、渦流傳感器的特性影響實(shí)驗(yàn)29實(shí)驗(yàn)十 霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)30實(shí)驗(yàn)十一 光纖傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)33實(shí)驗(yàn)十二 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)36實(shí)驗(yàn)十三 壓電式傳感器測(cè)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)38實(shí)驗(yàn)十四 光敏電阻的光電特性實(shí)驗(yàn)42實(shí)驗(yàn)十五 光敏二極管的光電特性44實(shí)驗(yàn)十六 光敏三極管的光電特性45實(shí)驗(yàn)十七 光電池的光電特性47實(shí)驗(yàn)十八 氣敏傳感器實(shí)驗(yàn)48實(shí)驗(yàn)十九 濕敏傳感器實(shí)驗(yàn)50實(shí)驗(yàn)二十 壓阻式壓力傳感器的壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)52實(shí)驗(yàn)二十一 K熱電偶測(cè)溫特性實(shí)驗(yàn)54實(shí)驗(yàn)二十二 Pt100鉑電阻(熱電阻)測(cè)溫特性實(shí)驗(yàn)59實(shí)驗(yàn)二十三 霍爾開(kāi)關(guān)式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)63實(shí)驗(yàn)二十四 磁電式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)64實(shí)驗(yàn)二十五 光電傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速實(shí)

3、驗(yàn)67實(shí)驗(yàn)二十六 智能轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)69；.第一章 傳感器實(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明 1.1 傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的組成傳感器實(shí)驗(yàn)箱平面圖如圖1.1所示：主要由機(jī)頭、主板、信號(hào)源、傳感器、傳感器調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡、軟件等各部分組成。 圖1.1 傳感器實(shí)驗(yàn)箱圖1、機(jī)頭 由電子稱；懸臂梁；振動(dòng)源(振動(dòng)盤)；升降調(diào)節(jié)桿；傳感器的安裝架(靜態(tài)位移安裝架)；傳感器輸入插座；光纖座、電渦流孔及超聲波顯示等組成。2、主板部分主板部分有十大單元電路組成：頻率電壓顯示單元；液晶顯示單元；數(shù)據(jù)處理單元；控制器單元；直流穩(wěn)壓電源輸出單元(提供高穩(wěn)定的15V、5V、1.2V12V可調(diào)等)；傳感器的輸出口單元；音頻振蕩器 （0.

4、4KHz10KHz可調(diào)）和低振蕩器 (1Hz30Hz可調(diào))；數(shù)據(jù)采集應(yīng)用單元；轉(zhuǎn)動(dòng)源單元。3、 調(diào)理電路部分 調(diào)理電路有兩部分可插拔模塊組成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可以自由更換，模塊電源通過(guò)特制六芯線連接（提供高穩(wěn)定的15V、5V、地）。4、信號(hào)源1） 溫度源150（可調(diào)）；2）振動(dòng)源 1Hz30Hz；3）轉(zhuǎn)動(dòng)源 05000r/min4、傳感器：詳見(jiàn)表1.1傳感器5、數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件：數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件6、實(shí)驗(yàn)箱：供電：AC 220V 50Hz 功率0.2kW 實(shí)驗(yàn)箱尺寸為525475220(mm)。1.2 傳感器表1.1 傳感器表序 號(hào)傳感器名稱量 程線 性備 注1電阻應(yīng)變式傳感器0200 g1

5、%3502差動(dòng)變壓器6mm2%10左右3電渦流位移傳感器2.5mm2%10左右4霍爾式位移傳感器5mm3%輸入端800左右輸出端400左右5光纖位移傳感器1.5mm5%1-3k6超聲波移傳感器100cm7光敏電阻暗阻5M，亮阻1K光敏電阻8光敏二極管光敏二極管9光敏三極管光敏三極管10光電池峰值波長(zhǎng)：0.8-0.9um 開(kāi)路電壓：5mV光電池11氣敏傳感器502000PPm12濕敏傳感器1095%RH13擴(kuò)散硅壓力傳感器040kpa1%14Pt100鉑電阻常溫1504%三線制15K型熱電偶常溫1504%16磁電式傳感器5000轉(zhuǎn)/分0.5%17光電轉(zhuǎn)速傳感器5000轉(zhuǎn)分0.5%18霍爾式轉(zhuǎn)速傳

6、感器5000轉(zhuǎn)/分0.5%19壓電式傳感器1.3 數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件1.3.1數(shù)據(jù)采集卡及處理軟件 具體技術(shù)指標(biāo)如下：1、接口標(biāo)準(zhǔn)：USB接口2、 A/D：2通道，12位3、 D/A: 2通道 12位4、 DI：2通道5、 DO：2通道，常開(kāi)6、采樣頻率：100KHz8、測(cè)量量程：最大可達(dá)正負(fù)10V 9、支持電壓、電流信號(hào)直接輸入 圖1.2 虛擬示波器界面10、環(huán)境：xp/win7 1.3.2 使用說(shuō)明1） 雙擊打開(kāi)傳桌面圖標(biāo) “傳感器USB采集.vi ”，進(jìn)入程序界面如下圖1.3：圖1.3 軟件界面2) 單擊箭頭所示圖標(biāo)運(yùn)行程序如圖1.4：圖1.4 運(yùn)行軟件3） 運(yùn)行程序后，進(jìn)入程序界面，

7、單擊“新建“如圖1.5：圖1.5 新建實(shí)驗(yàn)4） 單擊“新建”后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)設(shè)置界面如下圖1.6根據(jù)需要設(shè)置后單擊確定。圖1.6 實(shí)驗(yàn)設(shè)置 在設(shè)置界面中，“學(xué)院名稱、專業(yè)名稱、班級(jí)、實(shí)驗(yàn)名稱”根據(jù)實(shí)際需要填寫(xiě)即可，“通信選擇”選擇USB,“實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健边x擇低頻掃描，“通道選擇”根據(jù)實(shí)際連線選擇即可，設(shè)置完成后單擊“確定”即可。5）單擊“開(kāi)始”即可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況選擇“量程”和“采樣率”。 1.3.3 系統(tǒng)需求1.操作系統(tǒng)：XP/win7簡(jiǎn)體中文版2.Intel Pentium 500MHz或AMD Athlon700MHz以上3.128Mb或以上內(nèi)存4.400MB以上硬盤空間供軟

8、件安裝和備份5.有USB接口1.4 控制器簡(jiǎn)介主板中所裝的控制器為人工智能調(diào)節(jié)儀，它具有測(cè)量顯示和模糊邏輯數(shù)字PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能的先進(jìn)控制算法?？梢匀f(wàn)能輸入(通過(guò)設(shè)置輸入規(guī)格可變?yōu)闊犭娮琛犭娕?、線性電壓、線性電流等)，輸出為線性電壓輸出(可設(shè)置為05V線性電壓)。其實(shí)它是一只萬(wàn)能通用調(diào)節(jié)儀。1.4.1控制器面板說(shuō)明（一）、調(diào)節(jié)儀面板介紹控制器調(diào)節(jié)儀的面板上有PV測(cè)量顯示窗、SV給定顯示窗、4個(gè)指示燈窗和4個(gè)按鍵組成。儀表上電后，上顯示窗口顯示測(cè)量值（PV），下顯示窗口顯示給定值（SV）。儀表面板上的4個(gè)LED指示燈，其含義分別如下：ALM1指示燈：當(dāng)ALM1亮?xí)r，儀表對(duì)應(yīng)ALM1繼電

9、器有輸出。ALM2指示燈：當(dāng)ALM2亮?xí)r，儀表對(duì)應(yīng)ALM2繼電器有輸出。AT指示燈：當(dāng)儀表自整定時(shí)此指示燈亮。 OUT指示燈：當(dāng)此指示燈亮?xí)r，儀表OUT控制端有輸出。 圖1.3 調(diào)節(jié)儀面板圖面板中：1、PV測(cè)量值顯示窗 2、SV給定值顯示窗 3、A-M自整定燈(兼手動(dòng)指示燈)4、ALM ALM1動(dòng)作時(shí)點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的燈(上限動(dòng)作、冷卻風(fēng)扇) 5、OUT調(diào)節(jié)控制輸出指示燈6、SET功能鍵 7、數(shù)據(jù)移位鍵(不禁止手動(dòng)操作時(shí)兼手動(dòng)自動(dòng)切換) 8、 數(shù)據(jù)減少鍵 9、數(shù)據(jù)增加鍵 （二）控制器端子面板介紹 1、傳感器輸入端：連接Pt100或者連接光電轉(zhuǎn)速傳感器。 2、標(biāo)準(zhǔn)輸出：儀表將傳感器輸入的測(cè)量信號(hào)變送為0

10、-5V輸出，供計(jì)算機(jī)控制時(shí)采集反饋信號(hào)（如：溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)）。 3、控制輸入：接數(shù)據(jù)采集卡DA輸出端，接DA0或DA1(輸出信號(hào)0-5V對(duì)應(yīng)加熱功率0-100%）。 4、冷卻開(kāi)關(guān)：內(nèi)控-冷卻風(fēng)扇由儀表控制，外控-冷卻風(fēng)扇由計(jì)算機(jī)控制。 5、模式開(kāi)關(guān)：內(nèi)控-儀表控制，外控-計(jì)算機(jī)控制。 6、控制開(kāi)關(guān)：溫度-溫度控制，轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)速控制。圖1.4控制器端子面板圖1.4.2 功能及設(shè)置 （一）內(nèi)部菜單 內(nèi)部菜單如圖1.5所示。（二）基本使用操作1、 顯示切換：按SET鍵可以切換不同的顯示狀態(tài)。修改數(shù)據(jù)：如果參數(shù)鎖沒(méi)有鎖上，儀表下顯示窗顯示的數(shù)值數(shù)據(jù)均可通過(guò)按、或鍵來(lái)修改。例如：需要設(shè)置給定值時(shí)，可

11、將儀表切換到正常顯示狀態(tài)，即可通過(guò)按、或鍵來(lái)修改給定值。儀表同時(shí)具備數(shù)據(jù)快速增減法和小數(shù)點(diǎn)移位法。按鍵減小數(shù)據(jù)，按鍵增加數(shù)據(jù)，可修改數(shù)值位的小數(shù)點(diǎn)同時(shí)閃動(dòng)（如同光標(biāo)）。按住按鍵并保持不放，可以快速地增加/減少數(shù)值，并且速度會(huì)隨小數(shù)點(diǎn)會(huì)右移自動(dòng)加快（3級(jí)速度）。而按鍵則可直接移動(dòng)修改數(shù)據(jù)的位置(光標(biāo)),操作快捷。2、手動(dòng)/自動(dòng)切換：在不禁止手動(dòng)操作時(shí)按鍵，可以使儀表在自動(dòng)及手動(dòng)兩種狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換。手動(dòng)時(shí)下排顯示器第一字顯示“H”，儀表處于手動(dòng)狀態(tài)下，直接按鍵或鍵可增加及減少手動(dòng)輸出值。3、設(shè)置參數(shù)：按SET鍵并保持約3秒鐘，即進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)。在參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下按SET鍵，儀表將依次顯示各參

12、數(shù)，例如上限報(bào)警值A(chǔ)LM1、參數(shù)鎖LocK等等。用、等鍵可修改參數(shù)值。先按鍵不放接著再按SET鍵可退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。如果沒(méi)有按鍵操作，約30秒鐘后會(huì)自動(dòng)退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。4、設(shè)置給定值：按鍵并保持約3秒鐘，即進(jìn)入給定值設(shè)置狀態(tài)，PV窗顯示SP,用、等鍵可修改給定值。如果沒(méi)有按鍵操作，約30秒鐘后會(huì)自動(dòng)退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。圖1.5 內(nèi)部菜單（二）基本使用操作1、手動(dòng)/自動(dòng)切換：在不禁止手動(dòng)操作時(shí)按（A/M）鍵，可以使儀表在自動(dòng)及手動(dòng)兩種狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換。手動(dòng)時(shí)下排顯示器第一字顯示“H”，儀表處于手動(dòng)狀態(tài)下，直接按鍵或鍵可增加及減少手動(dòng)輸出值。2、設(shè)置參數(shù)：按SET鍵并保持約3秒鐘，即進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)

13、置狀態(tài)。在參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下按SET鍵，儀表將依次顯示各參數(shù)名稱（在PV窗口）及對(duì)應(yīng)的參數(shù)值（在SV窗口）。例如上限報(bào)警值A(chǔ)LM1、參數(shù)鎖LocK等等，對(duì)于配置好并鎖上參數(shù)鎖的儀表，只出現(xiàn)操作工需要用到的參數(shù)（現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)）。用、（A/M）等鍵可修改參數(shù)值。先按（A/M）鍵不放接著再按SET鍵可退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。如果沒(méi)有按鍵操作，約30秒鐘后會(huì)自動(dòng)退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。（三）自整定（AT）操作儀表初次使用時(shí)，可啟動(dòng)自整定功能來(lái)協(xié)助確定I、P、d等控制參數(shù)。初次啟動(dòng)自整定時(shí)，可將儀表切換到正常顯示狀態(tài)下，將參數(shù)At設(shè)置為1即可啟動(dòng)自整定。系統(tǒng)在不同給定值下整定得出的參數(shù)值不完全相同，執(zhí)行自整定功能前，應(yīng)先將

14、給定值設(shè)置在最常用值或是中間值上，如果系統(tǒng)是保溫性能好的電爐，給定值應(yīng)設(shè)置在系統(tǒng)使用的最大值上，再執(zhí)行啟動(dòng)自整定的操作功能。4、設(shè)置給定值：按鍵并保持約3秒鐘，即進(jìn)入給定值設(shè)置狀態(tài)，PV窗顯示SP,用、等鍵可修改給定值。如果沒(méi)有按鍵操作，約30秒鐘后會(huì)自動(dòng)退出設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。(四)參數(shù)功能說(shuō)明儀表通過(guò)參數(shù)來(lái)定義儀表的輸入、輸出、報(bào)警及控制方式，儀表功能參數(shù)表如表1.2所示。表1.2 儀表功能參數(shù)表參數(shù)代號(hào)參數(shù)含義說(shuō) 明設(shè)置范圍AL_1上限報(bào)警 測(cè)量值大于ALM1產(chǎn)生上限報(bào)警。測(cè)量值小于ALM1-Hy（固定0.5）值時(shí)，儀表將解除上限報(bào)警。由P-SL、P-SH決定Pb主輸入平移修正Pb參數(shù)用于對(duì)輸

15、入進(jìn)行平移修正.以補(bǔ)償傳感器信號(hào)本身的誤差。-20+20P速率參數(shù)P值類似PID調(diào)節(jié)器的比例帶,但變化相反,P值越大,比例、微分作用成正比增強(qiáng)，而P值越小，比例、微分作用相應(yīng)減弱。P參數(shù)與積分作用無(wú)關(guān)。設(shè)置P=0相當(dāng)于P=0.5。1-9999I保持參數(shù) I參數(shù)值主要決定調(diào)節(jié)算法中積分作用,和PID調(diào)節(jié)的積分時(shí)間類同。I值越小，系統(tǒng)積分作用越強(qiáng)。I值越大，積分作用越弱（積分時(shí)間增加）。 設(shè)置I=0時(shí)，系統(tǒng)取消積分作用及人工智能調(diào)節(jié)功能，調(diào)節(jié)部分成為一個(gè)比例微分（PD）調(diào)節(jié)器，這時(shí)儀表可在串級(jí)調(diào)節(jié)中作為副調(diào)節(jié)器使用。0-3000D滯后時(shí)間 d參數(shù)對(duì)控制的比例、積分、微分均起影響作用，d越小，則比例

16、和積分作用均成正比增強(qiáng)，而微分作用相對(duì)減小，但整體反饋?zhàn)饔迷鰪?qiáng)；反之，d越大，則比例和積分作用均減弱，而微分作用相對(duì)增強(qiáng)。此外d還影響超調(diào)抑制功能的發(fā)揮，其設(shè)置對(duì)控制效果影響很大。 如果設(shè)置dt時(shí)，系統(tǒng)的微分作用被取消。0-2000秒FILT濾波系數(shù)為儀表一階滯后濾波系數(shù)，其值越大，抗瞬間干擾能力越強(qiáng)，但響應(yīng)速度越滯后，對(duì)壓力、流量控制其值應(yīng)較小。對(duì)溫度、液位控制其值應(yīng)較大。0-50dP小數(shù)點(diǎn)位置 dP=0,顯示格式為0000，不顯示小數(shù)點(diǎn)。 dP=1，顯示格式為000.0,小數(shù)點(diǎn)在十位. dP=2,顯示格式為00.00,小數(shù)點(diǎn)在百位. dP=3,顯示格式為0.000,小數(shù)點(diǎn)在千位.0-1ou

17、tH輸出上限 限制調(diào)節(jié)輸出最大值。outL-200參數(shù)代號(hào)參數(shù)含義說(shuō) 明設(shè)置范圍outL輸出下限 通常作為限制調(diào)節(jié)輸出最小值。0-outHAt控制方式 At=0， 關(guān)閉自整定。 At=1，啟動(dòng)自整定。0-1LocK參數(shù)修改級(jí)別 LocK=0, 允許修改現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)、給定值。 LocK=1，只允許設(shè)置給定值。 LocK大于1，禁止修改所有參數(shù)。 0-50Sn輸入方式Sn輸入規(guī)格PT100/uPt100PT100u轉(zhuǎn)速oP-A輸出方式”5“ 0-5V輸出5oP-B輸出方式”3“ 0-5V變送輸出3AL-P報(bào)警輸出定義“0”無(wú)報(bào)警；“1”上限報(bào)警；“2”下限報(bào)警0-2CooL系統(tǒng)功能選擇0：反向控制；1

18、：正向控制0-1P-SH輸入上限顯示 用于定義線性輸入信號(hào)上限刻度值,與P-SL配合使用.P-SL9999P-SL輸入下限顯示值 用于定義線性輸入信號(hào)下限刻度值,對(duì)外給定、變送輸出顯示。 0(五) 智能調(diào)節(jié)儀控制溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速操作指南1、 給定目標(biāo)值設(shè)置：先按鍵，光標(biāo)在最末位閃爍，接著按、鍵設(shè)置給定值。如設(shè)定溫度控制目標(biāo)值20C等。2、 進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置：按住SET鍵保持約3秒，儀器重新進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)，PV窗顯示參數(shù)代號(hào)如：ALM1（上限報(bào)警）等，按、鍵為修改參數(shù)值鍵，使SV窗顯示要設(shè)定的溫度上限報(bào)警參數(shù)值，如35C等。3、 退出參數(shù)設(shè)置：先按（A/M）鍵不放接著再按SET鍵可退出參數(shù)設(shè)置

19、狀態(tài)。處于溫度或速度顯示狀態(tài)。溫度控制儀表參數(shù)設(shè)置表 轉(zhuǎn)速控制儀表參數(shù)設(shè)置表參數(shù)代號(hào)參數(shù)含義設(shè)定值參數(shù)代號(hào)參數(shù)含義設(shè)定值A(chǔ)LM1上限報(bào)警等于SVALM1上限報(bào)警4999Pb主輸入平移修正0Pb主輸入平移修正0P速率參數(shù)(比例)500P速率參數(shù)(比例)1I保持參數(shù)(積分)100I保持參數(shù)(積分)950D滯后時(shí)間(微分)100D滯后時(shí)間(微分)10FILT濾波系數(shù)20FILT濾波系數(shù)20dP小數(shù)點(diǎn)位置0dP小數(shù)點(diǎn)位置0outH輸出上限200outH輸出上限200outL輸出下限0outL輸出下限0AT控制方式PID0AT控制方式PID0Lock參數(shù)修改級(jí)別0Lock參數(shù)修改級(jí)別0Sn輸入規(guī)格/Pt

20、100Pt100Sn輸入規(guī)格/轉(zhuǎn)速uoP-A輸出方式/線性電壓連續(xù)輸出5oP-A輸出方式/線性電壓連續(xù)輸出5OP-B變送輸出/0-5V3OP-B變送輸出/0-5V3AL-P報(bào)警定義1AL-P報(bào)警定義1COOL系統(tǒng)功能選擇0COOL系統(tǒng)功能選擇0P-SH輸入上限顯示值100P-SH輸入上限顯示值4999P-SL輸入下限顯示值0P-SL輸入下限顯示值01.5 溫度源及溫度控制原理簡(jiǎn)介1.5.1溫度源簡(jiǎn)介溫度源是由加熱器和冷卻風(fēng)扇組成，裝在機(jī)頭頂板二個(gè)溫度源插孔的下方，溫度加熱源示意圖如圖1.5所示。頂板上的二個(gè)溫度源插孔與內(nèi)部加熱器的測(cè)溫孔相對(duì)，其中一個(gè)是調(diào)節(jié)儀的工作傳感器Pt100的插孔，用來(lái)控

21、制溫度源的溫度；另一個(gè)是溫度實(shí)驗(yàn)傳感器的插孔；使用溫度源時(shí)先將調(diào)節(jié)儀的工作傳感器Pt100接入并且控制選擇開(kāi)關(guān)切換到溫度功能上，再將調(diào)節(jié)儀電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)(o為關(guān)，-為開(kāi))。從安全性、經(jīng)濟(jì)性即具有高的性價(jià)比考慮，而且不影響學(xué)生掌握原理的前提下溫度源設(shè)計(jì)溫度120。圖1.5 溫度加熱源示意圖1.5.2 溫度控制原理 溫度源的溫度控制原理框圖如圖1.6所示。當(dāng)溫度源的溫度發(fā)生變化時(shí)溫度源中的Pt100熱電阻(溫度傳感器)的阻值發(fā)生變化，將電阻變化量作為溫度的反饋信號(hào)輸給智能調(diào)節(jié)儀，經(jīng)智能調(diào)節(jié)儀的電阻-電壓轉(zhuǎn)換后與溫度設(shè)定值比較再進(jìn)行數(shù)字PID運(yùn)算輸出調(diào)壓模塊(或固態(tài)繼電器)觸發(fā)信號(hào)(加熱)或繼電器觸發(fā)

22、信號(hào)(冷卻)，使溫度源的溫度趨近溫度設(shè)定值。 圖1.6、 溫度控制原理框圖；.第二章 傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)七 電渦流傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器測(cè)量位移的工作原理和特性。二、基本原理：電渦流式傳感器是一種建立在渦流效應(yīng)原理上的傳感器。電渦流式傳感器由傳感器線圈和被測(cè)物體（導(dǎo)電體金屬渦流片）組成，如圖7-1(a)所示。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)傳感器線圈（一個(gè)扁平線圈）通以交變電流（頻率較高，一般為1MHz2MHz）I1時(shí)，線圈周圍空間會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)H1，當(dāng)線圈平面靠近某一導(dǎo)體面時(shí)，由于線圈磁通鏈穿過(guò)導(dǎo)體，使導(dǎo)體的表面層感應(yīng)出呈旋渦狀自行閉合的電流I2，而I2所形成的磁通鏈又

23、穿過(guò)傳感器線圈，這樣線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感，最終原線圈反饋一等效電感，從而導(dǎo)致傳感器線圈的阻抗Z發(fā)生變化?？梢园驯粶y(cè)導(dǎo)體上形成的電渦等效成一個(gè)短路環(huán)，這樣就可得到如圖7-1(b)的等效電路。圖中R1、L1為傳感器線圈的電阻和電感。短路環(huán)可以認(rèn)為是一匝短路線圈，其電阻為R2、電感為L(zhǎng)2。線圈與導(dǎo)體間存在一個(gè)互感M，它隨線圈與導(dǎo)體間距的增大而減小。為實(shí)現(xiàn)電渦流位移測(cè)量，必須有一個(gè)專用的測(cè)量電路。這一測(cè)量電路（稱之為前置器，也稱電渦流變換器）應(yīng)包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個(gè)檢波電路等。電渦流傳感器位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)框圖如圖72所示。 圖7-1(a) 電渦流傳感器原理圖 圖7-1(b

24、) 電渦流傳感器等效電路圖 圖72 電渦流位移特性實(shí)驗(yàn)原理框圖根據(jù)電渦流傳感器的基本原理，將傳感器與被測(cè)體間的距離變換為傳感器的Q值、等效阻抗Z和等效電感L三個(gè)參數(shù)，用相應(yīng)的測(cè)量電路（前置器）來(lái)測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)的渦流變換器為變頻調(diào)幅式測(cè)量電路，電渦流變換器原理圖與面板如圖73所示。電路組成：Q1、C1、C2、C3組成電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生頻率為1MHz左右的正弦載波信號(hào)。電渦流傳感器接在振蕩回路中，傳感器線圈是振蕩回路的一個(gè)電感元件。振蕩器作用是將位移變化引起的振蕩回路的Q值變化轉(zhuǎn)換成高頻載波信號(hào)的幅值變化。D1、C5、L2、C6組成了由二極管和LC形成的形濾波的檢波器。檢波器的作用是將高頻調(diào)幅信

25、號(hào)中傳感器檢測(cè)到的低頻信號(hào)取出來(lái)。Q2組成射極跟隨器。射極跟隨器的作用是輸入、輸出匹配以獲得盡可能大的不失真輸出的幅度值。電渦流傳感器是通過(guò)傳感器端部線圈與被測(cè)物體（導(dǎo)電體）間的間隙變化來(lái)測(cè)物體的振動(dòng)相對(duì)位移量和靜位移的，它與被測(cè)物之間沒(méi)有直接的機(jī)械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（從010Hz）。當(dāng)無(wú)被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，振蕩器回路諧振于f0，傳感器端部線圈Q0為定值且最高，對(duì)應(yīng)的檢波輸出電壓Vo 最大。當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體遠(yuǎn)離傳感器線圈時(shí)，線圈Q值發(fā)生變，振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，諧振曲線變得平坦，檢波出的幅值Vo變小。Vo變化反映了位移的變化。電渦流傳感器可以在位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、探測(cè)、厚度等測(cè)量上得到應(yīng)用。圖7

26、3電渦流變換器原理圖三、需用器件與單元：機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器（其阻值10左右）、被測(cè)體(鐵圓片) 、測(cè)微頭、主板電壓/頻率表、電渦流位移傳感器模塊。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1觀察傳感器結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)平繞線圈。調(diào)節(jié)測(cè)微頭初始位置的刻度值為5mm處，按圖74安裝測(cè)微頭、被測(cè)體、電渦流傳感器（注意安裝順序：先將測(cè)微頭的安裝套插入安裝架的安裝孔內(nèi)，再將被測(cè)體套在測(cè)微頭的測(cè)桿上；其次在安裝架上固定好電渦流傳感器；將電渦流傳感器尾部的信號(hào)電纜插入機(jī)頭的電渦流插座。最后平移測(cè)微頭安裝套使被測(cè)體與傳感器端面相貼時(shí)擰緊測(cè)微頭安裝孔的緊固螺釘），如圖74所示。圖7-4電渦流傳感器安裝示意圖2、 從實(shí)驗(yàn)箱主板上的

27、傳感器輸出單元的“渦流”插孔接兩根線到“電渦流位移傳感器模塊”，并將模塊輸出端接電壓/頻率表。如圖7-5所示（接4根線）。圖7-5 電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)接線圖3、將電壓/頻率表量程切換開(kāi)關(guān)切換到20V檔，檢查接線無(wú)誤后開(kāi)啟主電源開(kāi)關(guān)，記下電壓表讀數(shù)，然后逆時(shí)針調(diào)節(jié)測(cè)微頭微分筒每隔0.5mm讀一個(gè)數(shù)，直到輸出Vo變化很小為止并將數(shù)據(jù)列入表7。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉所有電源。表7 電渦流傳感器位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)X（mm）00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5Vo(V) 鐵4、根據(jù)表7數(shù)據(jù)，畫(huà)出VX曲線，根據(jù)曲線找出線性區(qū)域并計(jì)算靈敏度和線性度（可用最小二

28、乘法或其它擬合直線）。實(shí)驗(yàn)八 被測(cè)體材質(zhì)對(duì)電渦流傳感器特性影響一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠煌谋粶y(cè)體材料對(duì)電渦流傳感器性能的影響。二、基本原理：電渦流傳感器在被測(cè)體上產(chǎn)生的渦流效應(yīng)與被測(cè)導(dǎo)體本身的電阻率和磁導(dǎo)率有關(guān)，因此不同的材料就會(huì)有不同的性能?；驹韰㈤唽?shí)驗(yàn)七。三、需用器件與單元：機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器、被測(cè)體(鐵、銅、鋁片、鋁柱) 、測(cè)微頭、主板電壓/頻率表、電渦流位移傳感器模塊。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將被測(cè)體鐵圓片換成鋁和銅圓片，實(shí)驗(yàn)方法與步驟同實(shí)驗(yàn)七。2、將測(cè)量數(shù)據(jù)列入表8。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。表8被測(cè)體為鐵、銅、鋁圓片及鋁圓柱時(shí)的位移X與輸出電壓數(shù)據(jù)X（mm）00.51.01.52

29、.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5Vo(V)鐵Vo(V)銅Vo(V)鋁1Vo(V)鋁23、根據(jù)上表8的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)上畫(huà)出實(shí)驗(yàn)曲線，分別確定被測(cè)體為鐵片、銅片和鋁片時(shí)對(duì)應(yīng)的線性區(qū)，并計(jì)算相應(yīng)的靈敏度和非線性誤差。分析說(shuō)明不同材質(zhì)性質(zhì)對(duì)電渦流傳感器特性的影響。實(shí)驗(yàn)九被測(cè)體面積大小對(duì)電渦流傳感器的特性影響實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私怆姕u流傳感器位移特性與被測(cè)體的形狀和尺寸有關(guān)。二、基本原理：電渦流傳感器的位移性能與被測(cè)體的形狀、大小有很大關(guān)系，當(dāng)被測(cè)體面積小于線圈平面時(shí)會(huì)減弱甚至不產(chǎn)生渦流效應(yīng)，所以電渦流傳感器在實(shí)際使用時(shí)，被測(cè)體面積必須大于傳感器線圈平面并進(jìn)行

30、位移標(biāo)定后測(cè)量。三、需用器件與單元：主機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、電渦流傳感器、端面積不同的二個(gè)鋁材被測(cè)體（被測(cè)體1、被測(cè)體2）、測(cè)微頭、主板電壓/頻率表、電渦流位移傳感器模塊。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、實(shí)驗(yàn)方法、步驟與實(shí)驗(yàn)七相同，參閱實(shí)驗(yàn)七。2、在測(cè)微頭的測(cè)桿上分別用二種不同面積的被測(cè)鋁材進(jìn)行電渦位移特性測(cè)定，并分別將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列入表8。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。3、根據(jù)表8數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)上畫(huà)出VX實(shí)驗(yàn)曲線，分別計(jì)算材質(zhì)相同但面積不同的二種被測(cè)體在相同線性范圍內(nèi)的靈敏度與線性度。分析說(shuō)明被測(cè)體端面積對(duì)傳感器性能的影響。 實(shí)驗(yàn)十 霍爾式傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饣魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。二、基本原理：霍爾式傳

31、感器是一種磁敏傳感器，基于霍爾效應(yīng)原理工作。它將被測(cè)量的磁場(chǎng)變化（或以磁場(chǎng)為媒介）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出。霍爾效應(yīng)是具有載流子的半導(dǎo)體同時(shí)處在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中而產(chǎn)生電勢(shì)的一種現(xiàn)象。如圖101（帶正電的載流子）所示，把一塊寬為b，厚為d的導(dǎo)電板放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，并在導(dǎo)電板中通以縱向電流I ，此時(shí)在板圖101霍爾效應(yīng)原理的橫向兩側(cè)面,之間就呈現(xiàn)出一定的電勢(shì)差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)（霍爾效應(yīng)可以用洛倫茲力來(lái)解釋），所產(chǎn)生的電勢(shì)差UH稱霍爾電壓?；魻栃?yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：UHRHKHIB 式中：RH-1(ne)是由半導(dǎo)體本身載流子遷移率決定的物理常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)；KH RHd靈敏度系數(shù)，與材料的物理性

32、質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件，霍爾元件大多采用N型半導(dǎo)體材料（金屬材料中自由電子濃度很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件），厚度d只有1m左右。 霍爾傳感器有霍爾元件和集成霍爾傳感器兩種類型。集成霍爾傳感器是把霍爾元件、放大器等做在一個(gè)芯片上的集成電路型結(jié)構(gòu)，與霍爾元件相比，它具有微型化、靈敏度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)、功耗低、負(fù)載能力強(qiáng)以及使用方便等等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用的霍爾式位移（小位移12）傳感器是由線性霍爾元件、永久磁鋼組成，其它很多物理量如：力、壓力、機(jī)械振動(dòng)等本質(zhì)上都可轉(zhuǎn)變成位移的變化來(lái)測(cè)量?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯墓ぷ髟砗蛯?shí)驗(yàn)電路原理如圖102 (a)

33、、(b)所示。將磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鋼同極性相對(duì)放置著，線性霍爾元件置于兩塊磁鋼間的中點(diǎn)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為，設(shè)這個(gè)位置為位移的零點(diǎn)，即，因磁感應(yīng)強(qiáng)度，故輸出電壓UH。當(dāng)霍爾元件沿軸有位移時(shí)，由于，則有一電壓UH輸出，UH經(jīng)差動(dòng)放大器放大輸出為V。V與有一一對(duì)應(yīng)的特性關(guān)系。(a)工作原理 (b)實(shí)驗(yàn)電路原理圖102霍爾式位移傳感器工作原理圖注意：線性霍爾元件有四個(gè)引線端。涂黑二端1(Vs+)、3(Vs-)是電源輸入激勵(lì)端，另外二個(gè)2(Vo+)、4(Vo-)是輸出端。接線時(shí)，電源輸入激勵(lì)端與輸出端千萬(wàn)不能顛倒，否則霍爾元件就損壞。三、需用器件與單元：機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、傳感器輸入插座、霍爾傳感器

34、、測(cè)微頭；主板電壓/頻率表、直流穩(wěn)壓電源、霍爾位移傳感器模塊。（霍爾元件輸入端電阻為800左右，輸出端電阻為400左右）四、實(shí)驗(yàn)步驟：1霍爾位移傳感器模塊調(diào)零：按圖103示意接線，接4根線。電壓表（電壓/頻率表）量程切換開(kāi)關(guān)打到2V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主電源開(kāi)關(guān)。將霍爾位移傳感器模塊的增益電位器順時(shí)針慢悠悠轉(zhuǎn)到底；調(diào)節(jié)霍爾位移傳感器模塊的運(yùn)放調(diào)零電位器，使電壓表顯示為。維持霍爾位移傳感器模塊的運(yùn)放調(diào)零電位器的位置不變，關(guān)閉主電源，拆除霍爾位移傳感器模塊的輸入引線。圖103調(diào)零接線圖2調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的0刻度線對(duì)準(zhǔn)軸套的10mm 刻度線。3按圖104在機(jī)頭上

35、安裝傳感器與測(cè)微頭。松開(kāi)安裝測(cè)微頭的緊固螺釘，移動(dòng)測(cè)微頭的安裝套，使PCB板（霍爾元件）處在兩園形磁鋼的中點(diǎn)位置(目測(cè))時(shí)，再將主板上的霍爾元件輸入端1、3（涂黑兩端）接到霍爾位移傳感器模塊上對(duì)應(yīng)的左右腳（涂黑兩端），開(kāi)啟主電源，然后用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試主板上霍爾元件的輸出端電壓是否為零，如果不為零，則繼續(xù)調(diào)整測(cè)微頭左右，直到電壓表輸出為零為止，再擰緊緊固螺釘。關(guān)閉主電源，拆除接線。 圖104 霍爾傳感器(直流激勵(lì))位移特性實(shí)驗(yàn)安裝示意圖4. 根據(jù)圖105示意圖接線。檢查接線無(wú)誤后，開(kāi)啟主電源。再仔細(xì)調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器，使電壓表顯示。（接6根線）圖105 霍爾傳感器(直流激勵(lì))位移特性實(shí)驗(yàn)接線示意

36、圖5使用測(cè)微頭時(shí)，當(dāng)來(lái)回調(diào)節(jié)微分筒使測(cè)桿產(chǎn)生位移的過(guò)程中本身存在機(jī)械回程差，為消除這種機(jī)械回差可用單行程位移方法實(shí)驗(yàn)：順時(shí)針調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒12周，記錄電壓表讀數(shù)作為位移起點(diǎn)。以后，反方向(逆時(shí)針?lè)较? 調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒(0.01mm/每小格)，每隔X=0.5mm(總位移可取6mm)從電壓表上讀出輸出電壓Vo值，填入下表18(這樣可以消除測(cè)微頭的機(jī)械回差)。表10 霍爾傳感器(直流激勵(lì))位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)X（mm）-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-05.0Vo(V)X（mm）3.02.52.01.51.00.50Vo(V)根據(jù)表10實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出VX特性曲線，并計(jì)算靈敏度和非線性誤差。實(shí)驗(yàn)

37、完畢，關(guān)閉電源。實(shí)驗(yàn)十一 光纖傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤饫w位移傳感器的工作原理和性能。二、基本原理：光纖傳感器是利用光纖的特性研制而成的傳感器。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能，絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū))，或者對(duì)人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。 光纖傳感器主要分為兩類：功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器(也稱為物性型和結(jié)構(gòu)型)。功能型光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖

38、，構(gòu)成“傳”和“感”合為一體的傳感器。這里光纖不僅起傳光的作用，而且還起敏感作用。工作時(shí)利用檢測(cè)量去改變描述光束的一些基本參數(shù)，如光的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率等，它們的改變反映了被測(cè)量的變化。由于對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)通常使用光電二極管等光電元件，所以光的那些參數(shù)的變化，最終都要被光接收器接收并被轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度及相位的變化。這些變化經(jīng)信號(hào)處理后，就可得到被測(cè)的物理量。應(yīng)用光纖傳感器的這種特性可以實(shí)現(xiàn)力，壓力、溫度等物理參數(shù)的測(cè)量。非功能型光纖傳感器主要是利用光纖對(duì)光的傳輸作用，由其他敏感元件與光纖信息傳輸回路組成測(cè)試系統(tǒng)，光纖在此僅起傳輸作用。本實(shí)驗(yàn)采用的是傳光型光纖位移傳感器，它由兩束光纖混合后，組成Y

39、形光纖，半園分布即雙D分布，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測(cè)體相距d，由光源發(fā)出的光纖傳到端部射出后再經(jīng)被測(cè)體反射回來(lái)，另一束光纖接收光信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，如圖111所示。發(fā)射光 接收光(a)光纖測(cè)位移工作原理 (b)Y形光纖圖111 Y形光纖測(cè)位移工作原理圖 傳光型光纖傳感器位移量測(cè)是根據(jù)傳送光纖之光場(chǎng)與受訊光纖交叉地方視景做決定。當(dāng)光纖探頭與被測(cè)物接觸或零間隙時(shí)(d=0)，則全部傳輸光量直接被反射至傳輸光纖。沒(méi)有提供光給接收端之光纖，輸出信號(hào)便為“零”。當(dāng)探頭與被測(cè)物之距離增加時(shí)，接收端之光纖接收之光量

40、也越多，輸出信號(hào)便增大，當(dāng)探頭與被測(cè)物之距離增加到一定值時(shí)，接收端光纖全部被照明為止，此時(shí)也被稱之為“光峰值”。達(dá)到光峰值之后，探針與被測(cè)物之距離繼續(xù)增加時(shí)，將造成反射光擴(kuò)散或超過(guò)接收端接收視野。 使得輸出之信號(hào)與測(cè)量距離成反比例關(guān)系。如圖112曲線所示，一般都選用線性范圍較好的前坡為測(cè)試區(qū)域。圖112 光纖位移特性曲線三、器件與單元：機(jī)頭靜態(tài)位移安裝架、測(cè)微頭、被測(cè)體(鐵圓片拋光反射面) 、光纖傳感器、光纖座(光電變換)、主板電壓/頻率表、光纖輸出口、光纖傳感器模塊。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1觀察光纖結(jié)構(gòu)并檢查光纖是否正常：二根多模光纖組成Y形位移傳感器。將二根光纖尾部端面(包鐵端部)對(duì)住自然光照射，

41、觀察探頭端面現(xiàn)象，當(dāng)其中一根光纖的尾部端面用不透光紙擋住時(shí)，在探頭端觀察面為半圓雙D形結(jié)構(gòu)，則表示光纖正常。2按圖113示意安裝光纖位移傳感器。圖113 光纖傳感器位移實(shí)驗(yàn)安裝示意圖 光纖安裝：安裝光纖時(shí)，要用手抓捏兩根光纖尾部的包鐵部分輕輕插入光纖座中,絕對(duì)不能用手抓捏光纖的黑色包皮部分進(jìn)行插拔，插入時(shí)不要過(guò)分用力,以免損壞光纖座組件中光電管。 測(cè)微頭、被測(cè)體安裝：調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒到5mm處(測(cè)微頭微分筒的0刻度與軸套5刻為對(duì)準(zhǔn))。將測(cè)微頭的安裝套插入靜態(tài)位移安裝架的安裝孔內(nèi)并在測(cè)微頭的測(cè)桿上套上被測(cè)體(鐵圓片拋光反射面)，移動(dòng)測(cè)微頭安裝套使被測(cè)體的反射面緊貼住光纖探頭并擰緊安裝孔的緊固螺

42、釘。 按圖114示意接線，接4根線。3 光纖位移傳感器模塊調(diào)零：檢查接線無(wú)誤后合上主電源開(kāi)關(guān)，將電壓/頻率表的量程切換開(kāi)關(guān)切換到20V檔。將光纖位移傳感器模塊的增益按順時(shí)針?lè)较蜉p輕轉(zhuǎn)到底，調(diào)節(jié)光纖位移傳感器的調(diào)零使電壓/頻率表顯示為零。圖114 光纖傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線示意圖4 逆時(shí)針調(diào)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔0.5mm讀取電壓表顯示值，將數(shù)據(jù)填入表11。然后再順時(shí)針調(diào)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔0.5mm讀取電壓表顯示值，將數(shù)據(jù)填入表11。實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。5 根據(jù)表11數(shù)據(jù)分別畫(huà)出逆時(shí)針測(cè)量和順時(shí)針測(cè)量的實(shí)驗(yàn)曲線。分別確定前波和后波的遲滯誤差。6 根據(jù)所有數(shù)據(jù)分別確定前波和后波的線性區(qū)域，并計(jì)算靈

43、敏度和非線性誤差。表11 光纖位移傳感器輸出電壓與位移數(shù)據(jù)X（mm）00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0逆時(shí)針V(v)順時(shí)針V(v)五、思考題：光纖位移傳感器測(cè)位移時(shí)對(duì)被測(cè)體的表面有些什么要求？ 實(shí)驗(yàn)十二 超聲波測(cè)距實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獬暡y(cè)距的原理及應(yīng)用。二、基本原理超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波，為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超

44、聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（timeofflight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為340米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)采用11.0592M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距

45、離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。本次超聲波采用STC12C2052AD單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖12-1所示。超聲波測(cè)距器單片機(jī)原理圖如圖12-2所示。 圖12-1系統(tǒng)框圖12-2 超聲波測(cè)距器單片機(jī)原理圖二、 需要器件與單元實(shí)驗(yàn)箱、超聲波探頭、LED顯示、尺子、障礙物（例如：書(shū)）。 四、實(shí)驗(yàn)步驟： 1、打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱主電源。 2、打開(kāi)機(jī)頭的超射波電源開(kāi)關(guān)。 3、用尺子放在超聲波探頭下面與機(jī)殼對(duì)齊，用書(shū)本對(duì)著探頭移動(dòng)（如圖12-3），觀察LED顯示距

46、離和尺子距離（如圖12-4）。 4、計(jì)算誤差并分析誤差產(chǎn)生的原因。 圖12-3 超聲波測(cè)距 圖12-4 超射波測(cè)離的LED顯示 實(shí)驗(yàn)十三 壓電式傳感器測(cè)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鈮弘妭鞲衅鞯脑砗蜏y(cè)量振動(dòng)的方法。二、基本原理：壓電式傳感器是一和典型的發(fā)電型傳感器，其傳感元件是壓電材料，它以壓電材料的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換機(jī)理實(shí)現(xiàn)力到電量的轉(zhuǎn)換。壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。1、壓電效應(yīng)：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，常見(jiàn)的壓電材料有兩類壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；人工多晶體壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。壓電材料受到外力作用

47、時(shí)，在發(fā)生變形的同時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回復(fù)到原不帶電狀態(tài)，當(dāng)作用力的方向改變后電荷的極性也隨之改變，如圖131 (a) 、(b) 、(c)所示。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。(a) (b) (c)圖131 壓電效應(yīng)2、壓電晶片及其等效電路多晶體壓電陶瓷的靈敏度比壓電單晶體要高很多，壓電傳感器的壓電元件是在兩個(gè)工作面上蒸鍍有金屬膜的壓電晶片，金屬膜構(gòu)成兩個(gè)電極，如圖132(a)所示。當(dāng)壓電晶片受到力的作用時(shí)，便有電荷聚集在兩極上，一面為正電荷，一面為等量的負(fù)電荷。這種情況和電容器十分相似，所不同的是晶片表面上的電荷會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸漏掉，因?yàn)閴弘娋牧?/p>

48、的絕緣電阻(也稱漏電阻)雖然很大，但畢竟不是無(wú)窮大，從信號(hào)變換角度來(lái)看，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，它又是一個(gè)電容器。因此通常將壓電元件等效為一個(gè)電荷源與電容相并聯(lián)的電路如132(b)所示。其中ea=Q/Ca。式中，ea為壓電晶片受力后所呈現(xiàn)的電壓，也稱為極板上的開(kāi)路電壓；Q為壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。實(shí)際的壓電傳感器中，往往用兩片或兩片以上的壓電晶片進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)。壓電晶片并聯(lián)時(shí)如圖132(c)所示，兩晶片正極集中在中間極板上，負(fù)電極在兩側(cè)的電極上，因而電容量大，輸出電荷量大，時(shí)間常數(shù)大，宜于測(cè)量緩變信號(hào)并以電荷量作為輸出。(a) 壓電晶片 (b) 等效電荷源

49、(c) 并聯(lián) (d) 壓電式加速度傳感器圖132 壓電晶片及等效電路壓電傳感器的輸出，理論上應(yīng)當(dāng)是壓電晶片表面上的電荷Q。根據(jù)圖132(b)可知測(cè)試中也可取等效電容Ca上的電壓值，作為壓電傳感器的輸出。因此，壓電式傳感器就有電荷和電壓兩種輸出形式。3、壓電式加速度傳感器圖132(d) 是壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中，M是慣性質(zhì)量塊，K是壓電晶片。壓電式加速度傳感器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)慣性力傳感器。在壓電晶片K上，放有質(zhì)量塊M。當(dāng)殼體隨被測(cè)振動(dòng)體一起振動(dòng)時(shí)，作用在壓電晶體上的力FMa。當(dāng)質(zhì)量M一定時(shí)，壓電晶體上產(chǎn)生的電荷與加速度a成正比。4、壓電式加速度傳感器和放大器等效電路壓電傳感器的輸出信號(hào)很弱

50、小，必須進(jìn)行放大，壓電傳感器所配接的放大器有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是帶電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷量成正比。電壓放大器測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓對(duì)電纜電容Cc敏感。當(dāng)電纜長(zhǎng)度變化時(shí)，Cc就變化，使得放大器輸入電壓ei變化，系統(tǒng)的電壓靈敏度也將發(fā)生變化，這就增加了測(cè)量的困難。電荷放大器則克服了上述電壓放大器的缺點(diǎn)。它是一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器。當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻Ri影響時(shí)，有圖133 傳感器-電纜-電荷放大器系統(tǒng)的等效電路圖Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf （131）式中，ei為放大器輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓ey=-Kei；K為電荷放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；Cf為電荷放大器反饋電容。將ey=-Kei代入式(211)，可得到放大器輸出端電壓ey與傳感器電荷Q的關(guān)系式：設(shè)C=Ca+Cc+Ciey=-KQ/(C+Cf)+KCf （132）當(dāng)放大器的開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，則有KCfC+Cf （132）簡(jiǎn)化為ey=-Q/Cf （133）式（133）表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無(wú)關(guān)，輸出靈敏度取決于反饋電容。所以，電荷放